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1、(10)申请公布号 CN 102929295 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102929295 A *CN102929295A* (21)申请号 201210441535.3 (22)申请日 2012.11.08 G05D 3/12(2006.01) G05B 19/042(2006.01) (71)申请人 中国地质大学 （武汉） 地址 430074 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388 号 (72)发明人 王广君 张怀 曾旭明 冀连杰 郝玉君 邹琴 鲍卫岗 张鹏凯 (74)专利代理机构 武汉华旭知识产权事务所 42214 代理人 江钊芳 (54) 发明名称 一种基于单片机的。
2、自动调平控制装置 (57) 摘要 本发明涉及一种基于单片机的自动调平控制 装置， 包括设备和自动控制部分， 设备部分设有载 物平台， X、 Y 轴向舵机， 基座， X、 Y 轴向转动机构 和三轴加速度传感器， 在基座上安装有 X、 Y 轴向 转动机构， X、 Y 轴向舵机安装在 X、 Y 轴向转动机 构上， 两台舵机的旋转轴相互垂直， 载物平台装在 X、 Y 轴向转动机构上方 ； 三轴加速度传感器装在 载物平台下底面 ； 自动控制部分由单片机控制单 元， 舵机调节单元， 倾角传感器水平检测单元和液 晶显示单元组成。单片机内置的 A/D 采样传感器 输出信号， 并产生两路 PWM 驱动信号控制两。
3、台舵 机旋转相应的角度， 动态调整载物平台使其保持 水平。本装置体积小精度高， 适用范围广， 可与经 纬仪等仪器结合， 调平方便快捷。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 1/1 页 2 1. 一种基于单片机的自动调平控制装置， 包括设备部分和自动控制部分， 其特征在于 ： 所述的设备部分设有载物平台， X 轴向舵机， Y 轴向舵机， 基座， X、 Y 轴向转动机构和三轴加 速度传感器， 在基座上安装有 X、 Y 轴向转动机构， X 轴向舵机和 Y。
4、 轴向舵机安装在有两个轴 相互正交垂直的 X、 Y 轴向转动机构上， X 轴向舵机和 Y 轴向舵机的旋转轴相互垂直， 载物平 台安装在 X、 Y 轴向转动机构上方 ； 三轴加速度传感器安装在载物平台下底面 ； 所述的自动控制部分设有单片机控制单元， 舵机调节单元， 倾角传感器水平检测单元 和液晶显示单元， 所述的单片机控制单元与舵机调节单元连接， 单片机控制单元还分别与 倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元互连 ； 单片机控制单元作为自动控制部分的核心 用于实现对舵机调节单元、 倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元的控制 ； 舵机调节单 元设有 X 轴向舵机和 Y 轴向舵机的驱动电路， 舵机调。
5、节单元用作调节 X 轴向舵机和 Y 轴向 舵机的 X、 Y 正交轴向的角度动作执行器， X 轴向舵机和 Y 轴向舵机转动的角度通过改变单 片机控制单元内部的定时器产生的脉冲宽度调制信号的占空比来实现 ； 倾角传感器水平检 测单元采用三轴加速度传感器， 三轴加速度传感器的 X、 Y 轴分别与 X 轴向舵机和 Y 轴向舵 机的旋转轴平行 ； 所述的液晶显示单元连接的液晶显示器安装在载物平台上方， 实时显示 载物平台 X、 Y 轴向的倾斜角度数值。 2. 根据权利要求 1 所述的基于单片机的自动调平控制装置， 其特征在于 ： 所述的单片 机控制单元采用 MSP430F169 单片机作为主控器。 3.。
6、 根据权利要求 1 所述的基于单片机的自动调平控制系统， 其特征在于 ： 所述的单片 机控制单元提供 2 个 I/O 口与舵机驱动电路电连接。 4. 根据权利要求 1 所述的基于单片机的自动调平控制系统， 其特征在于 ： 所述的单片 机控制单元中单片机内置 A/D 提供 3 个 I/O 口与倾角传感器水平检测单元电连接。 5. 根据权利要求 1 所述的基于单片机的自动调平控制系统， 其特征在于 ： 所述的单片 机控制单元通过对倾角传感器水平检测单元输出信息的 A/D 采集与计算分析， 决定调平策 略， 通过控制两路舵机动作实现调平目标， 并控制完成液晶显示单元的数据显示。 权 利 要 求 书 。
7、CN 102929295 A 2 1/4 页 3 一种基于单片机的自动调平控制装置 技术领域 0001 本发明涉及一种基于单片机的自动调平控制装置， 具体地说是一种能为安置在载 物平台上的仪器设备提供高精度的水平基准面的采用单片机自动调平的控制装置， 适合用 于水准仪、 经纬仪等测绘仪器的自动调平。 背景技术 0002 在现代国防与民用技术中， 常常需要把某些设备精确地调整到水平位置， 以提高 设备系统的工作性能， 达到某一指标要求。 以往调平装置的研究主要集中在如水平仪、 测角 仪及测斜仪等角度测量方面， 而角度测量与自动控制结合的技术较少。现在很多测量设备 都是机械式的水平调整方式， 如地。
8、质水文勘探、 土木工程测量中广泛应用的水准仪、 经纬仪 等测绘仪器， 该类仪器在使用中一个共同的特点就是需要使用者手动调平。由于受人主观 因素的影响， 调平的速度和精度得不到保证， 耗时长， 精度低。但当前设备越来越向自动化 智能化的方向发展， 工作台的自动调平， 尤其是应用于野外测量、 实验中及与仪器的结合的 工作台实现水平自动调整是很有必要的， 因此开发与仪器设备结合实现自动调平的控制装 置， 具有较好的应用价值。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种精度较高， 体积小， 适用范围广， 使用方便快捷， 能够为 放置在载物平台上的仪器设备提供高精度的水平基准面的基于单片机的自动调平控制。
9、装 置。 0004 为了实现上述功能， 本发明所采取的技术方案是 ： 提供一种基于单片机的自动调 平控制装置， 包括设备部分和自动控制部分， 所述的设备部分设有载物平台， X 轴向舵机， Y 轴向舵机， 基座， X、 Y 轴向转动机构和三轴加速度传感器， 在基座上安装有 X、 Y 轴向转动机 构， X 轴向舵机和 Y 轴向舵机安装在有两个轴相互正交垂直的 X、 Y 轴向转动机构上， X 轴向 舵机和Y轴向舵机的旋转轴相互垂直， 载物平台安装在X、 Y轴向转动机构上方 ； 三轴加速度 传感器安装在载物平台下底面 ； 所述的自动控制部分设有单片机控制单元， 舵机调节单元， 倾角传感器水平检测单元 。
10、和液晶显示单元， 所述的单片机控制单元与舵机调节单元连接， 单片机控制单元还分别与 倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元互连 ； 单片机控制单元作为自动控制部分的核 心， 用于实现对舵机调节单元、 倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元的控制 ； 舵机调节 单元设有 X 轴向舵机和 Y 轴向舵机的驱动电路， 舵机调节单元用作调节 X 轴向舵机和 Y 轴 向舵机的 X、 Y 正交轴向的角度动作执行器， X 轴向舵机和 Y 轴向舵机转动的角度通过改变 单片机控制单元内部的定时器产生的脉冲宽度调制信号的占空比来实现 ； 倾角传感器水平 检测单元采用三轴加速度传感器， 三轴加速度传感器的 X、 Y 轴分。
11、别与 X 轴向舵机和 Y 轴向 舵机的旋转轴平行 ； 所述的液晶显示单元连接的液晶显示器安装在载物平台上方， 实时显 示载物平台 X、 Y 轴向的倾斜角度数值。 说 明 书 CN 102929295 A 3 2/4 页 4 0005 本发明所述的单片机控制单元采用 MSP430F169 单片机作为主控器。本发明单片 机控制单元选用 MSP430F169 单片机， 是因为其具有高集成度和低功耗的特点， 使其非常适 合于电池供电和空间受限的场合。 0006 本发明所述的单片机控制单元提供 2 个 I/O 口与舵机驱动电路电连接。 0007 本发明所述的单片机控制单元中单片机内置 A/D 提供 3 。
12、个 I/O 口与倾角传感器水 平检测单元电连接。 0008 本发明所述的单片机控制单元通过对倾角传感器水平检测单元输出信息的 A/D 采集与计算分析， 决定调平策略， 通过控制两路舵机动作实现调平目标， 并控制完成液晶显 示单元的数据显示。 0009 本发明基于单片机的自动调平控制装置与现有技术相比具有如下优点 ： 1、 本发明采用高精度的倾角传感器和小体积大扭力、 步进精度高的舵机， 可以快速实 现载物平台自动调平， 为放置在载物平台上的测绘仪器提供高精度水平基准面， 为实现高 精度测量打下基础。 0010 2、 本发明的液晶显示单元的液晶显示器能显示当前使用的平台 X、 Y 轴向的倾角 角。
13、度， 既方便使用者了解载物平台上仪器的水平偏移角度信息， 必要时候又能作为数字电 子水平仪使用， 提高了使用的方便程度。 0011 3、 本发明采用的单片机、 倾角传感器均是小体积、 低功耗芯片， 安装所需空间小， 控制装置的工作电源可采用电池供电， 适合野外移动场合的应用。 0012 4、 使用本发明的装置为实现高精度的测量打下基础， 同时也能为相关工作者减轻 工作负担， 工作者可以将更多的时间用于测量上而不是花大量的时间调整仪器。本装置精 度较高， 体积小， 适用范围广。 附图说明 0013 图 1 为本发明基于单片机的自动调平控制装置的设备部分安装结构示意图。 0014 图 2 为本发明。
14、自动调平装置的自动控制部分结构框图。 0015 图 3 为本发明自动调平装置的两路舵机的电源和接口电路图。 0016 图 4 为本发明自动调平装置中采用 MMA7260 三轴加速度传感器的电路图。 0017 图 5 为本发明自动调平装置的主控 MSP430F169 单片机的工作电路图。 0018 图 6 为本发明自动调平装置中采用 12864 液晶显示器的电路图。 0019 图 7 为本发明自动调平装置的电源模块电路图。 0020 图 8 为本发明自动调平装置的载物平台调平坐标示意图。 0021 上述图中 ： 1- 载物平台， 2-X 轴向舵机， 3-Y 轴向舵机， 4- 基座， 5-X、 Y。
15、 轴向转动机 构， 6-三轴加速度传感器， 10-舵机调节单元， 11-倾角传感器水平检测单元， 12-单片机控 制单元， 13- 液晶显示单元。 具体实施方式 0022 下面结合附图和实施例对本发明的装置作详细具体的说明。 0023 实施例 1 ： 本发明提供的一种基于单片机的自动调平控制装置， 其结构如图 1， 2 所 示， 包括设备部分和自动控制部分， 所述的设备部分设有载物平台 1， X 轴向舵机 2， Y 轴向 说 明 书 CN 102929295 A 4 3/4 页 5 舵机 3， 基座 4， X、 Y 轴向转动机构 5 和三轴加速度传感器 6， 在基座 4 上安装有 X、 Y 轴。
16、向转 动机构 5， X 轴向舵机 2 和 Y 轴向舵机 3 安装在有两个轴相互正交垂直的 X、 Y 轴向转动机 构 5 上， X 轴向舵机 2 和 Y 轴向舵机 3 的旋转轴相互垂直， X 轴向舵机、 Y 轴向舵机采用精度 高、 小体积、 大扭力的数字舵机， 在图 1 中 Y 轴向舵机 3 被底座部分遮挡， 图中仅见到 Y 轴向 舵机 3 的主轴。载物平台 1 安装在 X、 Y 轴向转动机构 5 上方 ； 三轴加速度传感器 6 安装在 载物平台 1 下底面。 0024 所述的自动控制部分设有单片机控制单元 12， 舵机调节单元 10， 倾角传感器水平 检测单元 11 和液晶显示单元 13。单片。
17、机控制单元 12 与舵机调节单元 10 连接， 单片机控制 单元 12 还与倾角传感器水平检测单元 11 和液晶显示单元 13 互连 ； 单片机控制单元 12 作 为自动控制部分的核心用于实现对舵机调节单元、 倾角传感器水平检测单元和液晶显示单 元的控制 ； 两台舵机的驱动控制信号来自单片机。单片机通过与倾角传感器水平检测单元 互连， 采集处理倾角传感器输出电信号， 做出相应的处理， 完成一系列控制功能。 0025 舵机调节单元 10 用于调节 X 轴向舵机和 Y 轴向舵机的 X、 Y 正交轴向的角度动作 执行器， X 轴向舵机 2、 Y 轴向舵机 3 转动的角度通过改变单片机内部定时器产生的。
18、脉冲宽 度 （PWM） 调制信号的占空比来实现 ； 倾角传感器水平检测单元11连接三轴加速度传感器6， 三轴加速度传感器 6 的 X、 Y 轴分别与 X 轴向舵机 2 和 Y 轴向舵机 3 的旋转轴平行 ； 所述的 液晶显示单元连接的液晶显示器安装在载物平台上方， 实时显示载物平台 X、 Y 轴向的倾斜 角度数值。 0026 本实施例中单片机控制单元采用 MSP430F169 单片机作为主控器， 倾角传感器水 平检测单元采用 MMA7260 三轴加速度传感器， 液晶显示单元采用 12864 液晶显示器。 0027 以下为本实施例中各模块的工作方式 ： 舵机电源和接口电路如图 3。其中 U3 为。
19、开关型稳压芯片 TPS5430， 为两路舵机提供工 作电源， P4、 P5 分别为单片机控制单元与两路舵机的接口， 舵机控制信号分别与单片机的 P4.0 和 P4.1 连接。 0028 实施例中倾角传感器水平检测单元选用 MMA7260， 是因为其在单一芯片上集成 3 个相互独立、 测量方向相互垂直的敏感元的测量模块， 当加速度引起质量块的相对位置变 化时， 电容值也发生变化， 然后经过电容电压转化电路和放大滤波电路后输出与加速度成 正比的电压信号。 0029 采用 MMA7260 三轴加速度传感器电路如图 4， MMA7260 的第 1 引脚和第 2 引脚分 别通过电阻 P2、 P3 上拉并。
20、和单片机的 P1.0 和 P1.1 连接， 第 3 引脚与 VCC33 连接， 第 4 引脚 与 GND 连接， 第 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11 及 16 引脚均无电气连接， 第 12 引脚与单片机 P1.2 连接， 第 13、 14、 15 引脚为传感器输出电信号引脚， 分别通过电阻 R11、 R10、 R9 与单片机的 P6.0、 P6.1、 P6.2 连接。 0030 单片机控制单元采用的主控 MSP430 F169 单片机， 其工作电路如图 5， 图中电阻 R1、 复位按键 RESET1、 电容 C0 组成复位电路， Y1 为低速晶振， Y2 为高速晶振， 二者共同构成。
21、 单片机的片外晶振电路。 0031 液晶显示部分采用12864液晶显示器的电路如图6， 滑动电阻RP0调节液晶背景灯 亮度， 液晶 8 位数据口即第 7 至第 14 引脚分别与单片机 P2.0 至 P2.7 连接， 液晶第 4 引脚 与单片机 P3.0 连接， 读写控制引脚 5 与 P3.1 连接， 使能控制引脚 6 与 P3.2 连接， 片选引脚 说 明 书 CN 102929295 A 5 4/4 页 6 15 和 16 分别与单片机 P3.3 与 P3.4 连接， 复位引脚 17 与单片机 P3.5 连接。 0032 电源模块电路如图 7， U0 为 AMS1085 电源芯片， 为系统提。
22、供正 5 伏电源， U1 为 LM1117 电源芯片， 为系统提供正 3.3 伏电源。 0033 本发明的载物平台 1 的调平坐标如图 8， ABCD 表示载物平台， 表示载物平台与 水平面在 X 轴方向的角度值， 表示载物平台与水平面在 Y 轴方向的角度值。不论载物平 台如何倾斜， 其调平运动过程均可以分解为 X 轴向和 Y 轴向两个方向角度的调节。 0034 本发明的自动调平控制装置具体工作方式如下 ： 高精度的 MMA7260 倾角传感器固 定装在载物平台 1 上， 实时检测载物平台的水平偏移角度， MSP430F169 单片机内置的模数 转换器 （A/D） 采样所述的传感器输出电信号，。
23、 根据采样得到的数据不断计算载物平台 1 当 前状态与水平状态 X、 Y 两个轴向的偏移的角度差， 单片机根据计算结果产生两路 PWM 驱动 控制信号， 控制X轴向舵机2与Y轴向舵机3两个轴旋转相应的角度， 动态调整载物平台1， 使载物平台 1 一直处于水平状态。液晶显示器实时显示载物平台 X、 Y 轴向的倾角 、 的 角度值。 0035 本实施例中所选芯片仅为 1 个举例， 其中倾角传感器水平检测单元可选用其他任 意能够实现角度检测功能的高精度传感器 ； 舵机调节单元可选用其他任意匹配的高精度、 大扭力舵机 ； 液晶显示单元可根据配置需要选用其他类型的显示器。 0036 本发明的自动调平控制。
24、装置体积小精度高， 适用范围广， 可与经纬仪等仪器结合， 调平方便快捷， 可广泛应用于地质水文勘探、 土木工程测量中， 尤其适合用于水准仪、 经纬 仪等测绘仪器的自动调平， 使测绘过程变得快捷方便， 同时提高测绘数据的精度。 说 明 书 CN 102929295 A 6 1/5 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102929295 A 7 2/5 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102929295 A 8 3/5 页 9 图 5 说 明 书 附 图 CN 102929295 A 9 4/5 页 10 图 6 说 明 书 附 图 CN 102929295 A 10 5/5 页 11 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102929295 A 11 。