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高精度數(shù)字式角度測量儀的制作方法

時間:2023-06-11    作者: 管理員

高精度數(shù)字式角度測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種高精度數(shù)字式角度測量儀,包括:用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作的微處理器(AT89S52單片機);磁阻式角度傳感器KMZ41;信號調(diào)理器UZZ9001;存儲器,應(yīng)用非接觸的方式利用磁場對介質(zhì)材料電阻的影響將角度信號轉(zhuǎn)換為電信號進而得出角度值,避免了由接觸面帶來的損耗。使得人們可以簡單方便的使用本發(fā)明進行角度的測量。其優(yōu)點是:1、測量精度高,使用操作簡單,用戶只需按下兩次按鍵即可獲得被測對象的角度值,并且體積小、成本低、使用壽命長。
【專利說明】高精度數(shù)字式角度測量儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于檢測與自動化裝置領(lǐng)域,具體設(shè)計一種通過簡單按鍵操作即可獲得所測對象角度值的電子測量儀器,測量精度高達0.1度,所測角度值直接以數(shù)字量的形式顯示在微型液晶屏上,采用減法計算夾角值,無需調(diào)零。

【背景技術(shù)】
[0002]人們在從事教育教學(xué)或者工程實踐中,經(jīng)常會遇到測量角度的問題。最傳統(tǒng)的做法是拿三角板等器具手工測量,這種做法有明顯的缺陷:1、由于是通過人眼讀取刻度值,因此精度不高,只能應(yīng)用于粗測的場合;2、測得的角度值無法直觀顯示出來,需要人眼讀取刻度值獲取并同時手工做好記錄。如今也有采用增量編碼器、同步機等技術(shù)研制角度測量儀的,但這種技術(shù)存在接觸面、觸點易磨損等缺點,必須定期進行更換,在實際應(yīng)用中降低了設(shè)備的可靠性,增加了維修成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于提供一種高精度數(shù)字式角度測量儀,適用于角度測量場合。
[0004]本發(fā)明技術(shù)方案為:高精度數(shù)字式角度測量儀,其特征在于,包括:
用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作的微處理器(AT89S52單片機);
用于測量角度的磁阻式角度傳感器KMZ41 ;
用于處理KMZ41輸出角度信息的信號調(diào)理器UZZ9001 ;
用于存儲角度信息的EEPROM存儲器(AT24C02);
用于確定夾角位置并獲得角度值的按鍵(一共3個);
用于顯示所測角度信息的12864型液晶顯示屏;
用于給角度測量系統(tǒng)供電的電源電路。
[0005]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀的微處理器用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、兀器件協(xié)同工作,型號為AT89S52單片機。
[0006]所述角度傳感器型號為KMZ41,其管腳和信號調(diào)理器UZZ9001連接,具體連接方式為:KMZ41的3、4管腳為電源端,接+5V (正5伏,下同),7、8腳為GND端,接地;KMZ41的1、2、5、6管腳分別順次和UZZ9001的24、23、1、2管腳相連接;因為KMZ41電路和UZZ9001電路需分開工作,所以各自分別引出了 I個插線口 Pl和P6,最后兩者通過6針排線互連,以上連接方式可以參看說明書附圖3。
[0007]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀包含一個信號調(diào)理器UZZ9001,其管腳和KMZ41、微處理器AT89S52相連,其中與KMZ41的連接方式已在上述第3點詳細敘述了,此處不再贅述。UZZ9001的其他管腳連接方式為:UZZ9001的4、5、6、7、9、10、18、19、20管腳接地,17、21管腳接+5V,15、16管腳各接I個1K的精密可調(diào)電阻,并將其跨接于+5V和地之間,調(diào)節(jié)這2個可調(diào)電阻的大小,即可校準角度的輸出值,3、8、11、22管腳懸空,12、13、14管腳共同組成UZZ9001的SPI串行通信接口,與AT89S52單片機做數(shù)據(jù)交互,分別順次接至單片機的P2.1、P2.2、P2.3 口,以上連接可以參看說明書附圖3。
[0008]所述EEPROM存儲器型號為AT24C02,存儲容量為2Kbit,具有掉電不丟失的特點,用于存儲用戶通過按鍵操作測得的角度信息,AT24C02的第5 (SDA)、第6 (SDL)管腳組成了一個IIC通信接口,與AT89S52單片機做數(shù)據(jù)交互,分別順次接至AT89S52單片機的Pl.0、Pl.1 口,并分別通過一個 1K 電阻做上拉處理,AT24C02 的 I (A0),2 (Al),3 (A2)、4 (GND)、7 (WP)接地,8 (VCC)接+5V,具體連接方式見說明書附圖3。
[0009]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀包含I個微型液晶顯示屏,用于顯示所測的角度值,型號為12864,帶字庫,可顯示四行共32個漢字或64個英文字符,該液晶顯示屏的引腳連接為:1、20管腳接地,2、15、19管腳接地,3管腳接一個1K的可調(diào)電阻,并跨接于+5V和地之間,調(diào)節(jié)該可調(diào)電阻的大小即可調(diào)整液晶屏的對比度,7、8、9、10、11、12、13、14為液晶屏的數(shù)據(jù)端口,分別與AT89S52單片機的P0.0-P0.7相連,4、5、6為液晶屏的讀寫控制端,分別接至AT89S52單片機的P2.5、P2.6、P2.7 口,以上連接可以參看說明書附圖3。
[0010]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀包含3個按鍵,I個為功能鍵,I個為前進鍵,I個為后退鍵,用于讓用戶向前或向后查看過去所測得的角度值,這3個按鍵的一端接地,另一端分別依次接至AT89S52單片機的P3.4、P3.5、P3.6 口,當(dāng)有按鍵被按下時,單片機的這3個端口將出現(xiàn)低電平信號,說明有按鍵被按下,以上連接可以參看說明書附圖3。
[0011]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀的電源電路的電壓來自于三節(jié)1.5V的干電池,該電壓經(jīng)過1uf電解電容接地濾波處理,即變成純凈穩(wěn)定接近+5V的直流電,用于給系統(tǒng)的工作提供電源支撐。
[0012]本發(fā)明采用飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的磁阻式角度傳感器KMZ41,應(yīng)用非接觸的方式利用磁場對介質(zhì)材料電阻的影響將角度信號轉(zhuǎn)換為電信號進而得出角度值,避免了由接觸面帶來的損耗。使得人們可以簡單方便的使用本發(fā)明進行角度的測量。其優(yōu)點是:1、測量精度高,達到0.1度;2、角度值以數(shù)字式的形式直觀顯示在微型液晶上,并同時記錄在測量儀內(nèi)部的EEPROM存儲器中(AT24C02);3、使用操作簡單,用戶只需按下兩次按鍵即可獲得被測對象的角度值,還可以通過按鍵上下翻動,查找和回放之前測得的角度值。4、體積小、成本低、使用壽命長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的結(jié)構(gòu)框圖;
圖2為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的程序流程圖;
圖3為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的電路連接圖。

【具體實施方式】
[0014]下面通過附圖和實施例,對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。
[0015]圖1為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示,本實施例技術(shù)方案中的高精度數(shù)字式角度測量儀包括:按鍵1,用于配合確定夾角的起始邊和終止邊,當(dāng)用戶將標定桿對準夾角起始邊時按下一次按鍵,當(dāng)用戶將標定桿對準夾角終止邊時再按下一次按鍵,此時就得到了該夾角的角度值,另外還可以通過按鍵上下翻動,查找和回放之前測得的角度值;系統(tǒng)電源2,用于給測量儀提供純凈穩(wěn)定的直流5V電壓;微處理器3,測量儀的主控芯片,型號為AT89S52單片機,用于執(zhí)行程序、處理數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)各芯片配合動作,最后獲得角度數(shù)據(jù);磁阻式角度傳感器7,型號為KMZ41,它將角度信號轉(zhuǎn)化為電信號,再經(jīng)過UZZ9001 4對其做信號調(diào)理,最終向微處理器3輸出角度值;信號調(diào)理器4,型號為UZZ9001,與KMZ41連接,輸出電壓與被測角度信號成正比,能夠?qū)⒋抛枋絺鞲衅鱇MZ41輸出的兩個有相位差的正弦信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出,測量的角度范圍是(Tl80° ;EEPROM存儲器5,型號為AT24C02,容量為2Kbit,用于存儲測得的角度值;液晶顯示6,型號為12864,用于顯示測得的角度值信息。
[0016]圖2為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的程序流程圖。如圖2所示,角度測量系統(tǒng)上電初始化201,包括微處理器及外圍芯片的初始化,按下功能鍵奇數(shù)次則進入角度測量模式203,此時將定位桿置于被測對象夾角的起始邊并第一次按下確定鍵206,接著將定位桿置于被測對象夾角的終止邊并第二次按下確定鍵207,這樣就得到了當(dāng)前測得的夾角的角度值并在液晶屏上顯示,同時自動存儲在EEPROM中208。按下功能鍵偶數(shù)次時則進入角度回放模式204,此時如果按下后退鍵,則依次在液晶屏上向前回放之前所測的角度值,如果按下前進鍵,則依次在液晶屏上向后回放之前所測的角度值。
[0017]KM Z41的工作原理:當(dāng)外界無磁場時,KM Z41內(nèi)部的導(dǎo)磁合金磁場矢量M平行于電流方向,α= O。當(dāng)外加一個外部磁場H,其平行于導(dǎo)磁合金平面同時垂直于電流方向,此時導(dǎo)磁合金的磁場矢量M就會逆時針旋轉(zhuǎn)一個α角度。最后導(dǎo)致導(dǎo)磁合金的電阻R隨著旋轉(zhuǎn)角度α發(fā)生變化。這種變化的計算公式如下:
R 二 RO +_ cos2a式(1),其中,RO和ARO是物質(zhì)常數(shù)。
[0018]上述電阻R由KMZ41內(nèi)部的惠更斯橋電路測得,由式(I)可推知單組橋電路的輸出+Vo與-Vo之差與Sin2 a成正比。由于兩組橋電路相差45°,因此,兩組輸出信號分別正比于Sin2 a和Cos2 a。此外,由于溫度對輸出振幅也有影響,所以KMZ41的兩組輸出信號可以表示為如下:
X (a,T) = XO ( T) sin2 a,Y (a,T) = YO ( T) cos2 α 式⑵
由于兩組橋電路具有非常相似的特性,可以假設(shè)為理想狀態(tài)XO ( T) = YO ( T),則所測得角度信號a可以表示為:a =0.5arctan (x/y)式(3)
UZZ9001的工作原理:UZZ9001是專為KMZ41設(shè)計的信號調(diào)理芯片,能將兩路相位相差90°的正弦波信號,即式(3)中的α值轉(zhuǎn)換為一路信號,并將其以SP I模式串行輸出至單片機做進一步處理。同時它提供傳感器校準模式,補償傳感器輸出的偏移量,提高精度。本發(fā)明采用2個1K精密可調(diào)電阻(Rl和R2),通過調(diào)節(jié)電阻值,校準角度,見說明書附圖3。具體校準方法為:將定位桿置于垂直于地面的位置,此時分別調(diào)節(jié)電阻Rl和R2,直到顯示角度值為O即可。
【權(quán)利要求】
1.高精度數(shù)字式角度測量儀,其特征在于,包括: 用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作的微處理器AT89S52單片機; 用于測量角度的磁阻式角度傳感器KMZ41 ; 用于處理KMZ41輸出角度信息的信號調(diào)理器UZZ9001 ; 用于存儲角度信息的EEPROM存儲器AT24⑶2 ; 用于確定夾角位置并獲得角度值的按鍵一共3個; 用于顯示所測角度信息的12864型液晶顯示屏; 用于給角度測量系統(tǒng)供電的電源電路; 所述微處理器用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作,型號為AT89S52單片機; 所述角度傳感器型號為KMZ41,其管腳和信號調(diào)理器UZZ9001連接,具體連接方式為:KMZ41的3、4管腳為電源端,接+5V (,7、8腳為GND端,接地;KMZ41的1、2、5、6管腳分別順次和UZZ9001的24、23、1、2管腳相連接;因為KMZ41電路和UZZ9001電路需分開工作,所以各自分別引出了 I個插線口 Pl和P6,最后兩者通過6針排線互連; 所述信號調(diào)理器UZZ9001,其管腳和KMZ41、微處理器AT89S52相連; UZZ9001的其他管腳連接方式為:UZZ9001的4、5、6、7、9、10、18、19、20管腳接地,17、21管腳接+5V,15、16管腳各接I個1K的精密可調(diào)電阻,并將其跨接于+5V和地之間,調(diào)節(jié)這2個可調(diào)電阻的大小,即可校準角度的輸出值,3、8、11、22管腳懸空,12、13、14管腳共同組成UZZ9001的SPI串行通信接口,與AT89S52單片機做數(shù)據(jù)交互,分別順次接至單片機的P2.1、Ρ2.2、Ρ2.3 Π ; 所述EEPROM存儲器型號為AT24C02,存儲容量為2Kbit,AT24C02的第5 (SDA)、第6(SDL)管腳組成了一個IIC通信接口,與AT89S52單片機做數(shù)據(jù)交互,分別順次接至AT89S52單片機的P1.0、P1.1 口,并分別通過一個1K電阻做上拉處理,AT24C02的I (A0)、2 (Al)、3 (A2)、4 (GND)、7 (WP)接地,8 (VCC)接+5V ; 所述微型液晶顯示屏,用于顯示所測的角度值,型號為12864,帶字庫,可顯示四行共32個漢字或64個英文字符,該液晶顯示屏的引腳連接為:1、20管腳接地,2、15、19管腳接地,3管腳接一個1K的可調(diào)電阻,并跨接于+5V和地之間,調(diào)節(jié)該可調(diào)電阻的大小即可調(diào)整液晶屏的對比度,7、8、9、10、11、12、13、14為液晶屏的數(shù)據(jù)端口,分別與AT89S52單片機的P0.0-P0.7相連,4、5、6為液晶屏的讀寫控制端,分別接至AT89S52單片機的P2.5、P2.6、P2.7 Π ; 所述3個按鍵,I個為功能鍵,I個為前進鍵,I個為后退鍵,用于讓用戶向前或向后查看過去所測得的角度值,這3個按鍵的一端接地,另一端分別依次接至AT89S52單片機的P3.4、P3.5、P3.6 口,當(dāng)有按鍵被按下時,單片機的這3個端口將出現(xiàn)低電平信號,說明有按鍵被按下; 所述電源電路的電壓來自于三節(jié)1.5V的干電池,該電壓經(jīng)過1uf電解電容接地濾波處理,即變成純凈穩(wěn)定接近+5V的直流電,用于給系統(tǒng)的工作提供電源支撐。
【文檔編號】G01B7/30GK104359394SQ201410152307
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】徐錦鋼, 楊克, 沈緐, 孫俊杰, 平莉 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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