基于AVR单片机的角度测量系统研究

基于AVR单片机的角度测量系统研究
摘要：随着科学技术的进步，特别是以传感器技术、通信技术和计算机技术为基础的现代信息技术的发展，数据采集技术的发展也是日新月异。

各类设备的自动化、智能化程度越来越高，人力逐渐得到解放，效率得到了提高。

我们所研究的角度测量系统属于数据采集系统，其目的是迅速稳定的得到我们想要的角度值，从而完成其他控制。

本文主要对其硬件部分进行了一点研究。

关键词：数据采集角度测量 avr单片机
中图分类号：tp274 文献标识码：a 文章编号：
1007-9416(2012)02-0077-02
1、引言
角度测量是数据采集的一种。

数据采集是指将温度、压力、流量、负荷、位移等模拟量采集并转换成数字信号,送入处理器进行存储、处理和输出结果的过程。

数据采集系统的任务是采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号,然后送入计算机或专用信号处理设备进行处理，按需要输出处理结果[1]。

在本文中，主要是利用光电编码器对一些不便于人工测量或者人工测量效率较低的角度值进
行测量，输出若干位的2进制代码，传输给单片机，再由单片机传输给显示端显示。

2、系统总体设计
系统总体设计思想是以avr单片机atmega16为控制核心, 实现
数据的存储、传输和显示。

根据系统所需完成的功能,包括数据的采集、处理、传输、显示以及数据通信、键盘/显示等。

所设计的系统总体结构如下图所示。

3、系统硬件设计
3.1 光电编码器
光电编码器又称光电角位置传感器，是一种集光、机、电为一体的数字式角度、速度传感器，它采用光电技术将轴角信息转换成数字信号，与计算机和显示装置连接后可实现动态测量和实时控制[2]。

这是目前应用最多的一种传感器，由光栅盘和光电检测装置组成。

光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。

由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号。

我们要求水平角测量范围在0°至360°之间，高低角测量范围在0°至+85°之间，测量精度在1分以下，延迟时间小于1ms，通过考虑，我们选择了mjx40-15a型绝对式光电轴角编码器，其测角范围为00～3600，位数为15位，测角精度σ≤±50秒，输出为15位自然二进制并行码，ttl电平，系统延迟时间小于0.5ms，性能能够满足我们的要求。

使用微控制器内部通用计数器，或简单地增加可编程计数器即可实现计数。

光电码盘的数据由8155的pa、pb口读取。

3.2 系统输入模块
从光电码盘中输出的数据有15位，要是单一的用单片机去读取光电码盘的数据，一个光电码盘就会用到15个数据线，占用了单片机的大量资源。

从而，在资源的利用上来讲是不和算的。

利用8155的丰富的i/o口资源，可以减少对单片机资源的占用。

单片机给光电码盘一个读取信号脉冲，8155的pa和pb口立即得到光电码盘的数据，并存到了pa和pb寄存器中，此时单片机只要读取8155的pa和pb寄存器就能得到光电码盘的数据，通过计算就能获得此时的角度值。

3.3 avr单片机
通过对性能、价格等的综合考虑，我们选取性价比最高的atmega16作为本设计中的核心芯片。

具备32个可编程i/o口，其存储器有：32kb的系统内可编程flash，擦写寿命可达10000次；512b的eeprom，擦写寿命可达100000次；1k的数据存储器sram。

3.4 键盘/显示控制模块
intel8279是一种通用可编程的键盘、显示接口芯片，单个芯片就能作为行列式键盘、led显示器与微机的接口电路。

键盘接口部分可以和具有64个按键或传感器的阵列相连，能自动消除开关的抖动并具有多键同时按下保护。

显示接口部分按扫描方式工作，可
以连接8位或16位led显示器。

采用8279作为键盘、显示器接口，能简化键处理和显示程序，减少cpu占用时间。

显示部分为发光二极管、荧光管或者其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号，可以显示多达16位的字符或数字。

3.5 rs485总线及电平转换电路
avr常用的外部串行总线主要有usart,rs232，rs485。

usart只能一次发送最多8位的数据位；rs232一般只能用于20m以内的通信，rs485一次可发送n字节的数据，最远可达3000m，传输距离在1200m时，通信速率可达90kb/s。

rs485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用于仪器仪表、楼宇控制、监控警报等领域[3]。

单片机的串口基本满足ttl电平标准，其逻辑1对应的电平是5v，逻辑0对应的电平是0v；而pc机的串口使用的是rs232c电平标准，其逻辑其对应的电平是-3v～-12v,逻辑0对应的电平是+3v～+12v，两者之间的电平差异很大，所以连接时需要用到电平转换电路/器，比如max232[4]。

而要使pc串口与rs485网络上的设备通信，必须使用rs232/rs485转接电路，比如max491或者max485。

也就是说单片机上面的数据须经max485和max232转换之后方才沿rs485信号线由9针串口头到上位机，反之亦然。

这样我们就实现了上位机与单片机之间的通信。

3.6 外接ram
若系统工作量大，采集的数据较多时我们可以考虑外接数据存储器。

与rom相比，ram的读写速度要更快一些。

它分为静态ram和动态ram两类。

与动态ram相比,静态ram的容量较小，但是读写速度高，不需要刷新电路，比较适用于小容量系统中。

4、结语
这个角度测量系统适用于远距离测量，由于有上位机，再配合上电机，就可实现远程实时监控、操作，比如实现电弧炼钢炉中电极的位置控制；跟踪雷达天线俯仰角、方位角的自动控制；火炮高低角、水平角的自动控制等。

虽然这些对象的机械结构、传动形式有一定差别，对系统的要求也有差别，但有一点是共同的：它们都是要在伺服系统的控制下，将被控对象的位置运动到指定位置，而我们所要研究的，就是找到那个位置。

在本文中，我只给出了一个大概的设计思路，但是还有很多细节的地方需要学习研究才能实现目的。

参考文献
[1]尤佳宁.用avr控制实现数据采集系统[d].上海:华东师范大学,2006:12～21.
[2]寇宝泉,程树康.交流伺服电机及其控制[m].北京:机械工业出版社,2008:140～146.
[3]刘海成.avr单片机原理及测控工程应用[m].北京:北京航空航天大学出版社,2008:352～355.
[4]龙脉工作室,朱飞,杨平.avr单片机c语言开发入门与典型实例[m].北京:人民邮电出版社,2010:344～350.。