专利名称：一种基于发光管显示的垂直水平测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于发光管显示的水平、垂直测量方法和装置，该装置内部设有 双轴加速度传感器、滤波器、A/D转换器、单片机、移位寄存器、电源；面板上设有发光管阵 列，对应发光管的位置设有度数标记。
背景技术：
目前，广泛使用水泡式水平尺作为水平测量工具，使用铅垂仪作为垂直测量工具； 水平尺和铅垂仪是桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能 平台、机械加工等领域不可缺少的重要测量工具。中国专利200520117417. 2公开了一种 指针式万向水准泡，包括水准泡体、扁形水泡腔和液体，在扁形水泡腔中央装有能自由旋转 360度的铅垂指针，并在水准泡体上设有度数标记。不仅能依据水准泡和度数标记估判被测 物倾斜度，还能依据铅垂指针和度数标记测量被测物的倾斜度，直接指示读出被测物的倾 斜度数。无论是水泡水平尺还是电子显示的水平尺，读取时候必须十分接近，并且现场光线 明亮，否则无法读取，这些条件在普通情况下完全可以到达。但是，在施工现场，情况比较复 杂，例如在高空作业现场，由于现场狭小，手拿水平尺的人有时无法准确的读到水平尺的指 示，或者由于光线不够充足而无法读取。为此，需要提出一种显示明显，不受环境光线影响 的水平尺。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于发光管显示的水平、垂直测 量方法和装置。所述测量方法和装置在面板上设置发光管(LED)阵列，通过发光管阵列的 排列方式可以明显的显示水平和垂直的变化。显示的结果受外界光线强弱的影响很小。并 且用肉眼还一、两米的距离也可以清晰的看到精确的水平或垂直角度变化的显示。本发明的目的可以由下述技术方案实现一种基于发光管显示的水平、垂直测量 装置，包括机壳，所述机壳的底部设置有测量工作面，所述测量工作面上设置测量水平和垂 直的双轴加速度传感器，所述双轴加速度传感器与滤波器、A/D转换器、单片机依次电连接； 所述机壳与测量工作面相邻的一侧设有面板，所述面板排列有作为水平或垂直显示的发光 管阵列，所述面板上对应所述发光管阵列的各个发光管的位置设有刻度，所述单片机的输 出端口与所述发光管阵列电连接，所述面板还设有显示水平工作状态或垂直工作状态的状 态指示灯和状态转换开关，所述状态指示灯和状态转换开关分别与单片机电连接。一种使用上述装置显示水平、垂直测量的方法，所述的装置的面板上的发光管阵 列排列为模拟水平或垂直变化的形状，所述发光管阵列中的各个发光管带有刻度，通过阅 读发亮的发光管所对应的刻度即可获知水平或垂直所偏离的角度，或者通过判断发亮发光 管与中心发光管之间的距离判断水平或垂直所偏离的角度。本发明所产生的有益效果由于本发明采用发光管(LED)阵列显示测量结果，每 个发光管代表一定的角度，因此，使用者只要看到发光管阵列中某一个发光管变化的位置，就可以知道精确的角度变化了。由于发光管阵列，及其阵列中的每一个发光管的变化都十 分明显，在一两米，甚至两三米的距离上都可以用肉眼读出，因此，本发明所述装置和方法 在阅读角度变化时避免由于视觉误差影响测量结果的准确度。同时，由于发光管具有分辨 率好、色彩鲜艳、视角广、成本低、使用寿命长、不怕强光线冲刷照射等优点，更适合夜间或 环境光线不足时操作。本发明水平测量和垂直测量模式可以十分容易的进行转换，而不仅 仅是水平测量。比较现有的显示方式指针式仪表有视觉误差、工作中对放置位置有要求， 一般只能水平放置，阅读显示十分麻烦。数字式仪表显示时只是显示了一串数字，在多数情 况下还要使用者在心中想象一下角度偏离的方向和偏离的位置。这种情况在习惯于使用水 泡型水平尺的使用者身上特别明显，这样的人往往对数字显示不知所措。而本发明所述的 显示方法，模拟水泡水平尺的显示方法，可以明确的显示角度偏离方向和偏离的位置。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例一所述装置的外形示意图； 图2是本发明实施例一所述装置的内部结构框图3是本发明实施例一所述装置垂直测量时的横向偏摆示意图； 图4是本发明实施例四所述装置的单片机与发光管阵列连接示意图； 图5是本发明实施例五所述装置的单片机与发光管阵列连接示意图； 图6是本发明实施例六、七所述装置面板刻度示意图； 图7是本发明实施例八所述装置面板刻度示意图； 图8是本发明实施例九所述装置面板刻度示意图。
具体实施例方式实施例一
本实施例是一种基于发光管显示的水平、垂直测量装置，外形如图1所示，内部结构框 图如图2所示。本实施例包括机壳2，所述机壳的底部设置有测量工作面1，所述测量工作 面上设置测量水平和垂直的双轴加速度传感器，所述双轴加速度传感器与滤波器、A/D转换 器、单片机依次电连接；所述机壳与测量工作面相邻的一侧设有面板3。面板排列有作为水 平或垂直显示的发光管阵列4，面板上对应所述发光管阵列的各个发光管的位置设有刻度， 所述单片机的输出端口与所述发光管电连接，所述面板还设有显示水平工作状态或垂直工 作状态的状态指示灯5和状态转换开关6，所述状态指示灯和状态转换开关分别与单片机 电连接。本实施例所述的壳体，可以制成长条型，类似于传统的水平尺，如图1所示。也可 以制成矩形的盒子，主要为适应多种选择的面板放置不同类型的发光管阵列。在外壳的底 板设置测量工作面，当然也可在上表面，或上下表面均设置测量工作面，还可以在机壳的左 侧面和右侧面设置测量工作面。测量工作面采用1.5mm厚冷轧钢板冲压成型，测量工作面 由精密磨床精磨、表面处理后充磁，这样本发明可以吸附在导磁金属构件上使用。所述冷轧 钢板制作的测量工作面和所述机壳内的电路板刚性连接。机壳的前端面为面板，后端面设 有充电接口，电池盒盖板。本实施例可以用电池供电，也可以用外接电源供电。
在本实施例中，双轴加速度传感器采用由MEMS技术制成的集成了信号处理电路 的专用芯片，是一个完整的加速度测量系统，可分别测量X轴、Y轴，即水平和垂直两个方向 上的静态加速度，也就是测量地心引力在测量方向上的分量，将加速度这一物理信号转换 成模拟信号向外输出。在本实施例中，双轴加速度传感器为双轴倾角传感器，双轴倾角传感 器的型号为SCA100T。双轴倾角传感器的测量范围在0.5g (士30° )之间，具有高分辨率、 低噪声、工作温度范围宽等特性，内置过阻尼感应元件，能够承受大于20000g的机械振动， 通过差分模拟输出或SPI数字输出得到所需信号。为了防止外界磁场干扰和静电场干扰，所述双轴加速度传感器置于屏蔽罩中。所 述屏蔽罩由电场屏蔽层和磁场屏蔽层构成。电场耦合是噪声传递的一种基本方式，电场屏 蔽是基于由电场耦合而形成的干扰所采取的屏蔽措施；磁场屏蔽与电场屏蔽类似，是基于 由磁场耦合干扰所采取的屏蔽措施。在本实施例中采用的屏蔽罩是由双层金属制成的长方 形空腔壳体，磁场屏蔽层采用厚度为Imm导磁性能优良的冷轧硅钢片制成，机械加工后进 行退火处理，外层采用厚度为0. 2mm的铜皮制成电场屏蔽层；并对进出屏蔽罩的引线进行 滤波处理，试验结果表明屏蔽罩抗干扰性能优良。要测量被测构件与水平位置的角度，可将测量装置水平放置于被测构件上，将测 量工作面与被测构件平面完全接触，打开电源开关，测量装置默认工作设置在水平测量模 式下，双轴加速度传感器的测量系统开始工作，首先单片机、双轴加速度传感器和A/D转换 器进行初始化，然后对工作模式进行判断，由双轴加速度传感器将感应到的角度量转换成 模拟信号输出至滤波器，该滤波器是以集成运算放大器LM324为核心的二阶有源低通滤波 器，具有元件数量少，输出阻抗低、元件间差值范围小和插入损耗小等优点。滤波器可以滤 除模拟信号中无用的IOOHz以上高频成分，使模拟信号稳定可靠。然后再将模拟信号送到 A/D转换器中将模拟信号转换成数字信号。A/D转换器的可使用型号为AD7705的芯片，包 括由缓冲器和增益可编程放大器组成的前端模拟调节电路、调制器、可编程数字滤波器等 部件。能直接将双轴加速度传感器测量到的多路毫伏级的模拟信号不失真的转换成数字信 号。单片机通过SPI接口(串行外围设备接口)读取A/D转换器的数字信号后进行逻辑判 断、软件滤波和数学运算，最后单片机的输出端口驱动发光管阵列，实时的在水平方向上变 化显示状态。本实施例在测量过程中，发光管阵列中发光管亮或者不亮，都可以表示水平或垂 直的误差状态。例如发光管阵列可以始终只有一个发光管处于点亮的状态，每一个发光管 表示一个偏离水平或垂直的角度，当处于水平或垂直的状态下中间的一个发光管点亮，这 个发光管可以是与其他发光管不同颜色的，或者大小不同的发光管，以表示水平或垂直这 个较特殊的状态。也可以使用变色显示，例如表示水平时的中间发光管在不完全水平时为 黄色，完全水平时为绿色等等。而发光管阵列中的其他发光管可以红色，并且只有一个表示 偏离角度的发光管点亮，这样可以与中间的发光管对比，比较明显的显示偏差的角度。或者 相反，所有的发光管都点亮，只有偏差角度的发光管不亮，这有利于在黑暗的情况下也可 以十分清楚的显示偏差的角度。当然还可以将发光管阵列中的发光管按照表示不同的角度 分组，各组用不同颜色的发光管，这样可以更加明显的表示各个不同的角度。本实施例所述的发光管可以是发光二极管或者其他发光元件。使用发光二极管是 一种比较好的选择。发光二极管具有成体低、寿命长、不怕强光线照射等特点，特别适于本实施例使用。本实施例还可以使用提示音，例如当测量处于水平或垂直状态时，发出“嘀”的 提示音或其他提示音。本实施例由于使用双轴传感器，所以即可以测量水平，也可以测量垂直。为此设置 了水平、垂直测量状态转换的“状态转换开关”。按动“状态转换开关”，将测量装置设置在 垂直测量状态时，表示垂直测量的“状态指示灯”点亮。然后将测量工作面与被测的垂直平 面完全接触。在测量过程中，发光管阵列实时的在竖直方向上变化显示状态。对应点亮的 发光管位置的刻度值为被测平面与竖直面之间的角度。如果位于中间位置发光管被点亮， 则被测平面为铅垂面。本实施例在垂直测量时，会出现铅直方向的偏摆，如图3所示。测量中装置的纵向 轴线(图3中的Y轴线)是否铅直，十分重要。图3中要测量的是X-Y平面是否与水平面垂 直，但如果绕Z轴方向装置发生偏摆，即装置的纵向轴线与铅直方向发生偏摆，就会对测量 结果产生影响。这种情况是电子水平尺垂直测量所特有的，必须予以关注。因此，本实施例 还可以加装铅直加速度传感器，以排除铅直方向的偏摆对测量的影响。根据实验，铅直方向 的偏摆大于士0.5°时就会影响垂直测量，一旦超过这个数值就要报警。报警的方式有多 种，例如使用声音报警，或专门设置报警灯。还可以使发光管阵列点亮的发光管闪动，以示 报警。为使发光管阵列精确的表示偏差的度数，往往需要多个发光管。这样就产生一个 矛盾，单片机的输出端是有限的，直接在单片机的输出端连接发光管，发光管的数量不够 用。扩大输出端有许多方法，本实施例采取两种方式解决这个问题。一种是连接左右行控 制器，一种是在单片机和发光管阵列之间串联多个位移寄存器。发光管阵列的排列可以有许多选择，关键在于明确的表示角度的偏差。例如采取 简单的一字形排列。这样的排列类似于模拟传统的水平尺，操作者易于接受。还可以采取 双曲线排列。这种排列对偏差度数的显示十分直观，看到发光管显示的位置，就可以判断偏 差的度数。发光管阵列还可以排列为圆弧形，这是一字型和双曲线型排列的折中方案，既照 顾了人们的传统，又显示了偏差的角度。但也同时具备了两者的缺点。总之可以有多种选 择。实施例二
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于单片机的细化。本实施例所述的单片机 电连接铅直加速度传感器。铅直加速度传感器可以选用较为经济型，以降低成本，因为这个传感器无需精度 很高的测量。实施例三
本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于铅直加速度传感器的细化。本实施例所 述的铅直加速度传感器所感应角度超过士0.5°则报警。报警可以选用专用的报警灯、蜂鸣器、或发光管阵列的闪动等等。实施例四
本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于单片机和发光管阵列连接的细化。本实 施例所述的单片机和发光管阵列还连接有左行控制器和右行控制器。如图4所示，本实施例所使用的单片机型号是AT89S51，该单片机的共20个可用输出端，如果一对一的连接，无法满足连接超过30支发光管的需要。首先，将单片机的20个 输出端定义为(1)- (20)的输出端。本实施例将处于发光管阵列中处于正中的发光管确定 为零点位置，例如定义第(20)输出端为零点位置，将这个发光管的正极接电源正端，负极接 单片机的(20)输出端上。将零点位置左右两个显示偏差0.01°发光管的负极连接在一起 与单片机的输出端(1)连接，将左右两个显示0. 02°发光管的负极连接在一起与单片机的 输出端(3)连接，依次类推。同时将左行发光管的正极连在一起后接左行控制器输出端，右 行发光管的正极连在一起后接右行控制器输出端。工作时，由单片机控制左行发光管亮或 右行发光管亮。例如当倾角传感器处于0°时，单片机计算出所处角度后驱动单片机定义 为零点的输出端(20)输出低电平，对应的零点位置的发光管被点亮；当双轴加速度传感器 处于右行0.01°时，单片机输出端(1)输出低电平，同时由单片机输出端(22)驱动右行控 制器输出高电平，对应右行0.01°红色发光管亮；当倾角传感器处于左行0.01°时，单片 机输出端(1)输出低电平，但同时单片机输出端(21)驱动左行控制器输出高电平，对应左 行0. 01°红色发光管被点亮，依此类推，但始终只有一个发光管被点亮。实施例五
本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于单片机和发光管阵列连接的细化。本实 施例所述的单片机所述的单片机与发光管阵列之间串联有多个位移寄存器。如图5所示，本实施例使用的移位寄存器的型号是74LS164，单片机的型号是 AT89S51，它通过串行口与移位寄存器1、移位寄存器2、移位寄存器3、移位寄存器4、移位寄 存器5的输入端并连，单片机的引脚RXD接74LS164的A、B串行输入端，单片机的引脚TXD 接74LS164的时钟端，移位寄存器1、移位寄存器2、移位寄存器3、移位寄存器4的8个输出 端、移位寄存器5的7个输出端别与39个发光管正极连接，发光管负极接地。例如当倾角 传感器处于0°时，单片机计算出所处角度后驱动移位寄存器3的(4)脚输出高电平，对应 中间位置的发光管被点亮、当倾角传感器处于右行0. 01°时，单片机驱动移位寄存器3的 (5)输出高电平，对应右行0.01°红色发光管被点亮；当倾角传感器处于左行0.01°时，单 片机驱动移位寄存器3的(3)输出高电平，对应左行0.01°中间以外的发光管被点亮，依此 类推，但始终只有一个发光管被点亮。实施例六
本实施例是实施例四、五的改进，是实施例四、五关于发光管阵列的细化。本实施例所 述的发光管阵列由多种颜色39个的发光管组成，发光管阵列各个相邻发光管代表0. 01° 或0.1°的角度变化。如图6所示，本实施例所述面板下部呈一字形排列39个发光管，所述发光管等距 设置，位于中间位置的发光管(从左数第20个发光管)的颜色与其余的38个发光管的颜色 不同。在本实施例中，位于中间位置的发光管为绿色，其余的发光管为红色。所述面板上 对应所述发光管的位置设有度数标记，所述度数标记包括刻度值和刻度线，刻度值从中间 向两端逐渐递增。对应绿色发光管的刻度值为零。所述刻度值的最小精度为0.01°。从 左数分别是 1°、0·9°、0·8°、0·7°、0·6°、0·5°、0·4°、0·3°、0.2° 0.1° ,0.09°、 0.08°、0. 07°、0. 06°、0. 05°、0. 04 °、0. 03 °、0. 02 °、0. 01 °、0 °、0. 01 °、0. 02 °、 0.03°、0. 04°、0. 05°、0. 06°、0. 07°、0. 08°、0. 09°、0. 1 °、0. 2、°、0. 3°、0. 4°、 0.5°、0. 6°、0. 7°、0. 8°、0. 9°、1°。
本实施例可以使用各种型号的单片机，例如AT89S51，它通过串行口与移位寄存 器的输入端并连，移位寄存器可以是74LS164。实施例七
本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于发光管阵列的细化。本实施例所述的发 光管阵列为一字排列，如图6所示。实施例八
本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于发光管阵列的细化。本实施例所述的发 光管阵列为双曲线排列，如图7所示。本实施例的读数刻度显示排布非常明了，在相当一段距离都可以清楚的读出。实施例九
本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于发光管阵列的细化。本实施例所述的发 光管阵列为圆弧排列，如图8所示。本实施例是实施例七、八的一种折中方案。实施例十
本实施例是一种使用上述装置显示水平、垂直测量的方法。本实施例所述的方法将面 板上的发光管阵列排列为模拟水平或垂直变化的形状，所述发光管阵列中的各个发光管带 有刻度，通过阅读发亮的发光管所对应的刻度即可获知水平或垂直所偏离的角度，或者通 过判断发亮发光管与中心发光管之间的距离判断水平或垂直所偏离的角度。实施例的关键在于发光管阵列排列为模拟水平或垂直的形态，模拟传统水平尺的 水泡显示，但又不完全与传统水泡显示相同，利用位置的变化显示角度的变化，使用者可以 十分容易的理解，提供一种使用方便的数值阅读方式。本实施例所述方法顺应了现代的仪 表显示的潮流，即仪表模拟指示的回归，而不是一味的使用数码显示，使仪表更易于阅读。最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布 置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术 方案(比如测量水平或垂直的传感器，发光管阵列的排列方式、各个连接关系等)进行修改 或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种基于发光管显示的水平、垂直测量装置，包括机壳，所述机壳的底部设置有测量 工作面，所述测量工作面上设置测量水平和垂直的双轴加速度传感器，所述双轴加速度传 感器与滤波器、A/D转换器、单片机依次电连接；所述机壳与测量工作面相邻的一侧设有面 板，其特征在于所述面板排列有作为水平或垂直显示的发光管阵列，所述面板上对应所述 发光管阵列的各个发光管的位置设有刻度，所述单片机的输出端口与所述发光管阵列电连 接，所述面板还设有显示水平工作状态或垂直工作状态的状态指示灯和状态转换开关，所 述状态指示灯和状态转换开关分别与单片机电连接。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述的单片机电连接铅直加速度传 感器。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于所述的铅直加速度传感器所感应角 度超过士 0.5°则报警。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于所述的单片机和发光管阵列还连接 有左行控制器和右行控制器。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于所述的单片机与发光管阵列之间串 联有多个位移寄存器。
6.根据权利要求4或5所述的测量装置，其特征在于所述的发光管阵列由多种颜色 的39个发光管组成，发光管阵列各个相邻发光管代表0.01°或0.1°的角度变化。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述的发光管阵列为一字排列。
8.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述的发光管阵列为双曲线排列。
9.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于所述的发光管阵列为圆弧排列。
10.一种使用权利要求1所述装置显示水平、垂直测量的方法，其特征在于，所述方法 将面板上的发光管阵列排列为模拟水平或垂直变化的形状，所述发光管阵列中的各个发光 管带有刻度，通过阅读发亮的发光管所对应的刻度即可获知水平或垂直所偏离的角度，或 者通过判断发亮发光管与中心发光管之间的距离判断水平或垂直所偏离的角度。
全文摘要
一种基于发光管显示的水平、垂直测量方法和装置，包括机壳，所述机壳内部设置双轴加速度传感器、滤波器、A/D转换器、单片机和电源，所述双轴加速度传感器、滤波器、A/D转换器和单片机依次电连接；所述机壳的前端设有面板，所述面板上部设有状态指示灯、转换开关和电源开关；所述面板下部呈一字形排列多个发光管，所述面板上对应所述发光管的位置设有度数标记；所述单片机的输出端口与所述发光管电连接。该测量装置通过转换开关可以轻松地在两个工作模式下随意转换，操作简便，测量结果精准；通过发光管显示测量结果更直观，作业环境不受光线强弱的影响。
文档编号G01C9/06GK102141396SQ201110035528
公开日2011年8月3日 申请日期2011年2月10日 优先权日2011年2月10日
发明者潘华, 陈宝志, 陈芳菲 申请人:北京智造机电技术有限公司