平台角度测量系统设计与GPRS传输

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 3.05MB 79 页 15积分

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摘要

角度测量是几何测量的一个重要分支，在建筑、机械、铁路建设等领域有着重

要的应用。微电子技术的进步，使得设计者们可以较以往以更低的成本购买到体

积更小，功能更为优越的集成芯片，这为优化系统设计和提升系统性能提供了支

持。GPRS 网络技术具有支持 TCP/IP 协议和传输数据速率高的特点，使之适合远

程监测和控制的应用。本文采用角度测量模块和 GPRS DTU 模块组成系统测量终

端，并与数据中心进行通信，进而实现了平台角度的远程在线测量。论文的主要

研究内容包括：

1. 角度测量系统硬件电路设计：根据系统需求及特点，分别设计了传感器激励及

其接口电路、信号调理电路、A/D 转换电路和单片机系统的相关接口电路，并

利用 multisim 对其部分功能电路进行模拟仿真。

2. 角度测量系统软件设计：根据传感器工作原理和系统设计特点，编写了系统数

据采集和处理以及 DTU 无线串口通信程序，实现系统的远程在线测量。

3. 角度测量系统调试：首先完成系统各硬件模块调试，然后利用 GPRS DTU 无

线串口进行软硬件联调和系统标定。

本系统结合 SSQ-II 型液体摆式角度传感器的特点，设计了相关信号调理电路

并用 AT89S52 作为主控制器进行数据采集和处理等功能。本文还选用北京天同诚

业科技有限公司的 WG-8010 GPRS DTU 作为测量终端的数据通信设备与监测中心

通信，实现了角度的远程在线测量。经过调试和校准，系统可实现-

范围内

的角度测量，系统分辨率为

，测量精度达到



。模块化的设计思想，使系统

维护和升级更为方便。本文创新在于利用 GPRS DTU 无线串口可以读出系统初始

偏差，并利用软件调零技术提高了系统测量准确性。

关键词：角度测量 GPRS DTU 单片机

ABSTRACT

As an important branch in Geometry measurement, angle measurement plays a vital

role in the field of building, machinery, railway, construction.

With the development of Microelectronics and modern communication technology,

the system designers can use the new integrated chips and design a smaller but more

functional system at a lower cost. This provides a good foundation to optimize the

system design and improve the system performance. The GPRS wireless network

technology, provide a great convenience for remote data acquisition and monitoring.

The main jobs of this paper are as follows:

1. Hardware design: According to the system requirements and characteristics of the

system, I designed the driving and interface circuit of the transducer, signal

conditioning circuit, A/D converter circuit and relevant interface circuits of the

microcontroller respectively. And the multisim simulation tool was used to simulate

its partial function circuits.

2. Software design: According to the working principle of the transducer and system

characteristics, the data acquisition and procession program was designed to

achieve the goal of remote online measurement.

3. System debugging: First debug the hardware module and then use the GPRS DTU

wireless serial port to debug the software and calibrate system.

Combined with the characteristic of SSQ-II dip angle sensor, relevant signal

conditioning circuit was designed and MCU AT89S52 was used as main controller for

data acquisition and procession. This paper also choose WG-8010 GPRS DTU as

terminal equipment to transfer the data between DTU and monitoring center, then the

system can achieve remote online angle measurement. After debugging and calibration,

the system can measure the angle range from -

to +

, system resolution is up to

and accuracy is



.It’s modular design ideal, makes it more convenient to

maintain and upgrade. Via GPRS DTU, the system can acquire the remote measurement

data and read the initial deviation at the PC serial port. To improve the accuracy of the

system, we can eliminate the deviation by software technology.

Key Words: angle measurement, GPRS DTU, microcontroller

III

摘要 ................................................................................................................................... I

ABSTRACT ..................................................................................................................... II

目录 ................................................................................................................................ III

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

§1.1 课题背景及目的意义 ......................................................................................... 1

§1.2 国内外角度测量发展现状 ................................................................................. 2

§1.3 论文的主要工作 ................................................................................................. 3

第二章 GPRS 通信技术简介 ......................................................................................... 4

§2.1 GPRS 通信基础知识 ........................................................................................... 4

§2.1.1 GPRS 概述 ..................................................................................................... 4

§2.1.2 GPRS 技术特点及优势 ................................................................................. 5

§2.2 GPRS 网络技术 ................................................................................................... 6

§2.2.1 GPRS 网络结构及网络单元 ......................................................................... 6

§2.2.2 GPRS 协议栈 ................................................................................................. 7

§2.2.3 GPRS 网络接口 ........................................................................................... 10

§2.3 GPRS DTU 应用 ................................................................................................ 11

§2.3.1 GPRS DTU 简介 .......................................................................................... 11

§2.3.2 GPRS DTU 工作原理 .................................................................................. 11

§2.3.3 GPRS DTU 选型 .......................................................................................... 13

§2.4 本章小结 ........................................................................................................... 15

第三章角度测量系统终端硬件设计 .......................................................................... 16

§3.1 角度传感器构造及工作原理 ........................................................................... 16

§3.2 角度测量原理 ................................................................................................... 17

§3.3 系统硬件总体设计 ............................................................................................ 18

§3.3.1 系统硬件设计方案 ..................................................................................... 19

§3.3.2 系统硬件结构 ............................................................................................. 19

§3.4 各功能模块电路设计 ....................................................................................... 20

§3.4.1 方波激励电路设计 ..................................................................................... 20

§3.4.2 精密整流电路设计 ..................................................................................... 22

§3.4.3 信号放大电路设计 ..................................................................................... 25

§3.4.4 A/D 转换电路设计 ...................................................................................... 29

§3.4.5 LCD 显示模块及接口电路设计 ................................................................. 33

§3.4.6 TTL-RS232 电平转换电路设计 ................................................................. 35

§3.4.7 微处理器芯片选型及其接口电路设计 ..................................................... 35

§3.4.8 系统复位及 ISP 编程接口电路设计 ......................................................... 37

§3.5 系统 PCB 设计与制作 ...................................................................................... 38

§3.5.1 系统 PCB 设计方案 ................................................................................... 38

§3.5.2 系统 PCB 制作 ........................................................................................... 40

§3.6 本章小结 ........................................................................................................... 43

第四章角度测量系统软件设计 .................................................................................. 45

§4.1 初始化程序设计 ............................................................................................... 46

§4.2 A/D 数据采集程序设计 ..................................................................................... 47

§4.3 数据处理程序设计 ........................................................................................... 48

§4.4 AT 指令与 GPRS 传输 ...................................................................................... 49

§4.4.1 AT 指令基础 ............................................................................................... 50

§4.4.2 下位机利用 AT 指令控制 DTU ................................................................ 51

§4.5 本章小结 ........................................................................................................... 51

第五章角度测量系统调试与标定 .............................................................................. 52

§5.1 传感激励模块实验 ........................................................................................... 52

§5.2 信号调理模块实验 ........................................................................................... 54

§5.2.1 精密整流电路实验 ..................................................................................... 54

§5.2.2 信号放大电路实验 ..................................................................................... 55

§5.3 A/D 转换实验 ..................................................................................................... 56

§5.4 系统联调及标定 ............................................................................................... 56

§5.5 本章小结 ........................................................................................................... 57

第六章总结与展望 ...................................................................................................... 58

§6.1 总结 ................................................................................................................... 58

§6.2 展望 ................................................................................................................... 58

附录 ................................................................................................................................ 60

参考文献 ........................................................................................................................ 73

第一章绪论

角度是机械制造、仪器仪表、建筑、铁道建设和电子产品制造业中有着重要

的应用，角度测量的准确性直接关系着产品的质量与使用寿命，因而角度测量在

几何量的测量中占据十分重要的地位。

§1.1 课题背景及目的意义

本课题的目的在于设计一种适合于便携式、高精度、数字式的小角度测量系

统并实现系统的在线测量。得益于电子技术和通信技术的飞速发展，各种高性能

的微控制器和性能优越的集成芯片体积越来越小而成本却大大减少，这些都为我

们设计便携式系统提供了很多方便，借助现代通信技术并结合软件技术，我们可

以设计出性能优越的在线测量仪器。随着电子技术和通信技术的大力发展，工艺

的进步和材料研究的不断深入，对角度测量技术提出了高精度和新方法的要求。

许多角度测量技术已经很难用普通的机械式测量器具和仪器解决，即便是普通的

光学-机械式仪器也难以满足要求[1]，因而要借助现代电子技术和通信技术发展带

来的各种有利条件并结合各种角度测量原理与方法，设计出技术新、精度高的角

度测量仪器[2]。

小角度测量的特点是角度测量范围小，但要求系统的测量精度高。测量误差

一般在 1"-2"，有时甚至更高。目前常用的测量小角度的方法主要有机械法、光学

法、电测法。机械法和光学法虽有很高精度，但是由于其体积大、质量重、成本

高昂的特点，在角度测量系统中使用并不方便。电测法的测量系统通常由倾斜角

传感器及其相关调理电路组成。电测法使用的传感器具有很高的灵敏度和分辨率，

是实现高精度测量的关键。

在线检测技术的引入，促进了测量仪器的飞速发展，以前的老式测量器具已

被新式测量仪所取代[3]。在线检测技术对于提高产品质量，提高生产效率起着积极

有效的作用。对于工业生产、加工制造的检测与控制等领域，完全依靠人工检测

存在诸多弊端：操作者的熟练程度、疲劳程度均会对测量结果产生不同程度的误

差进而影响工作效率；而且由于测量结果的滞后性会往往会造成废品率的上升。

采用在线检测技术可以很好的解决上述弊端，提高效率并降低成本。

目前倾斜角传感器在机械制造业，建筑结构试验，土建工程（水坝、桥梁、

铁路等），地震监测等领域得到了广泛的应用。如何利用这些角度传感器实现角度

平台角度测量系统设计与 GPRS 传输

的高精度在线测量，显得尤为重要。无线通信技术的发展，为系统在线测量提供

了可靠的技术支持。利用 GPRS 无线通信技术，可以实现系统的远程无线测量和

数据通信。

本课题针对平台小角度测量的高精度及在线监测的特点，提出一种使用液体

摆式倾角传感器并结合 GPRS 通信技术的方案，实现角度的远程在线测量。

§1.2 国内外角度测量发展现状

小角度测量的方法有机械法、光学法、电测法[4]。机械式测角技术可以用多齿

分度盘来代表，分度盘的齿数直接影响系统测量精度。由于多齿分度盘的齿数的

限制，所以细分程度受到限制进而影响系统精度的提高。目前应用较为广泛的是

旋转式感应同步器。其关键器件是平面型印刷电路做成的电路绕组：定子和转子。

圆感应同步器具有较高的精度和分辨率，定子和转子在整个绕组平面内同时进行

工作，能使节距误差产生平均效应。利用电子细分和比较器可以提高系统分辨率。

由于定子和转子不接触，没有摩擦，因而使用寿命长，工作稳定，抗干扰能力强。

但是该类传感器的尺寸和自重较大，且不容易实现自动化，测量精度受到限制，

制约了它的应用范围。电磁分度测角技术主要有两种：圆磁栅测角和感应同步器

测角。圆磁栅测角法是将圆磁栅和被测器件放在一起旋转，磁栅上的记录信号通

过放磁头来提取出来并进行处理。这种测量方法在动态测量时的分度准确度可以

很高，但是静态时录磁准确度却被降低，故而静态时测量准确度很难提高。

鉴于上述测量方法的种种缺点，本系统采用液体摆传感器和 AT89S52 单片机

以及 GPRS DTU 实现数据采集和控制的方案。液体摆传感器具有测量精度高的优

点，利用 GPRS 网络可以角度测量系统的远程在线测量和控制。

GPRS 通信建设成本低廉，由于 GPRS DTU 可充分利用现有 GPRS 网络，设

备安装方便，但是进行超短波无线通信时需要充分考虑现场环境，还需要配备天

线等附属设备。GPRS 通信永远在线的特点，系统没有延时，能够同时实时采集并

处理多个测量终端的数据，可很好的满足测量系统对数据采集与传输的实时性要

求。GPRS 的上述优点非常适合远程仪器仪表的测量控制领域，监控中心可以通过

无线串口实现对测量设备的校正、数据采集和分析等。

基于 GPRS 的远程在线测量系统，通过一定的网络设备将测量终端与监测中

心架设起通信桥梁，此系统融合了软、硬件高度融合，具有高度的集成性，可实

现对测量系统的数据准确采集并传输，从而实现无人值守的测量。综合国内外小

角度测量装置设计要求及应用场合，它们主要采用各种现场总线进行测量结果的

第一章绪论

传输，没有采用适合远程在线的角度测量装置。本课题设计了一种能满足大多数

应用场合的角度测量仪，精度较高，且线路简单，通过 PC 上位机交互界面结合

GPRS 通信技术即可自动完成实现在线角度测量。

§1.3 论文的主要工作

论文的主要工作如下：

（1）系统总体方案的设计：在分析传感器工作原理和系统需求的基础上，确定

采用 AT89S52 控制器及 GPRS DTU 模块与上位机建立通信，实现数据采集和

控制的方案。

（2）系统硬件设计：总体方案确定后，根据系统资源，完成了传感器激励与接

口电路模块、信号调理模块、A/D 转换电路模块、单片机与 LCD 和GPRS 系

统软件设计：主要完成 A/D 转换部分接口通信及数据采集及处理、LCD 显示

以及 GPRS DTU 无线串口通信的数据采集及控制。

（3）系统调试与标定：系统软硬件设计完成后，对系统各模块进行调试并进行

软硬件联合调试，保证系统工作正常稳定。利用无线串口采集测量数据，并根

据测量结果修正，标定。将修正值通过串口发回单片机达到远程控制的目的。

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摘要：

I摘要角度测量是几何测量的一个重要分支，在建筑、机械、铁路建设等领域有着重要的应用。微电子技术的进步，使得设计者们可以较以往以更低的成本购买到体积更小，功能更为优越的集成芯片，这为优化系统设计和提升系统性能提供了支持。GPRS网络技术具有支持TCP/IP协议和传输数据速率高的特点，使之适合远程监测和控制的应用。本文采用角度测量模块和GPRSDTU模块组成系统测量终端，并与数据中心进行通信，进而实现了平台角度的远程在线测量。论文的主要研究内容包括：1.角度测量系统硬件电路设计：根据系统需求及特点，分别设计了传感器激励及其接口电路、信号调理电路、A/D转换电路和单片机系统的相关接口电路，并利用mu...

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