基于单片机的角度测量仪
基于单片机的角度测量仪的设计任务书
课程设计任务书起迄日期：____________________________________________ 课程设计地点：________________________________________ 指导教师：____________________________________________下达任务书日期1 .本次课程设计应达到的目的：rw ■ ■ »-■ ■ ■■ ■・■・■ ■ s-e ■ ■■ ■ s-w ■ ■■ ■・ v・■ ■ s-e ■ ■ vr・■ ■ ir-w ■ ■■■■ m ■ ■ am ■ ■ m ■ ■ s-w ■ ■■■■ va ■ ■ s-e ■ ■ aw ■ ■ s-w ■ ■■■■ va ■ ■ s-e ■ ■ WTW ■■»-■■■■■■ va ■ ■ s-〒・■ ■■■■ va ■ ■ s-e ■ ■ m ■ ■■■■ in ■ ■ s-e ■ ■・w ■ ■ n ■ ■ n ■■■ in ■ ■ s-e ■ ■・w ■ ■ n ■ ■ we ■ ■・通过本次课程设计，让学生掌握已学习过的微型计算机（8086）或单片机（8051）汇编语言的编程与调试、相关重要可编程芯片的工作过程，加深对微型计算机工作原理的理解，并学会将所学的知识应用到实际中，达到在应用中掌握知识的目的。
2.本课程设计课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）: 亠亠■ a」■_•・・v・・・厶1■■•厶a ■ a ・・』厶・・・鼻it・■』厶a ■ a ・・a厶u・・亠it・■』亠w ■ a 4Bt・・a厶u ■■厶ii・■■ a厶D■ a 4B・・a厶a・・亠it・■』厶D■ a・・a厶・亠it・■」亠・■・亠it ■・4Bt・・a厶・亠*・■』亠u ■♦亠“ ・」亠・・a厶・亠it・■」亠H■ a亠a ■・・・a厶a・・・・本题要求以单片机为主控制器，设计制作一个角度测量仪。
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)02-0077-021、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。
基于STC15单片机的数字式倾角仪应用设计
9作为一种小角度测量仪器,常用的水平仪有气泡式和数字式两种。
随着科技发展进步,广泛应用于机械工程、工作台调平、导轨平直度、电力系统以及建筑设计等角度测量中[1]。
由于外部测量环境的影响,要求水平仪有较好的抗干扰能力,设计出一种具有精度高、稳定性好、性价比高、使用简易的高性能数字式倾角测量仪,具有很大的实际应用价值。
1 系统概述本设计主要由电源模块、倾角测量模块、STC15单片机控制模块和液晶显示模块等部分组成。
其中,电源模块采用两节干电池作为电源,为水平仪供电;倾角测量模块使用6轴传感器MPU6050芯片为主芯片完成倾角测量;控制模块采用S T C 15系列单片机IAP15W4K61S4芯片作为主控芯片,完成读取倾角数据与数据滤波融合,并将处理后的数据送至显示模块显示;显示模块采用液晶显示,可在屏幕同时显示三个角度数据。
本设计介绍了数字倾角仪的软硬件设计,采用卡尔曼滤波算法提高测量精度和稳定性,采用低功耗元件降低整机功耗,可延长倾角仪的工作时间。
如图1所示。
2 倾角仪硬件电路设计倾角仪硬件电路主要由电源模块、倾角测量模块、单片机控制模块和液晶显示模块等部分组成。
倾角仪各模块芯片的工作电压不同,主控芯片工作电压是2.5V～5.5V,倾角传感器工作电压是2.5V～3.3 V,液晶显示屏的工作电压是3.3 V～5.5V。
考虑到倾角仪便携式的特点,采用两节干电池作为供电电源,比纽扣电池更合适,电池容量更大,更换更为方便[2]。
倾角仪的主控芯片,选用STC公司生产的IAP15W4K61S4芯片,具有宽电压供电,内置高数时钟和可靠复位电路,功耗非常低,掉电模式可由外部中断唤醒。
主控电路,主要是负责接收倾角传感器的获取的倾角数据并且进行数据处理,再将处理好的数据送至液晶显示器显示。
倾角传感器采用InvenSense公司推出的一款低成本的6轴传感器MPU6050模块,包括三轴加速度,三轴角速度, 免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题,减少了大量的封装空间,体积小巧,用途非常广。
基于HT46R24单片机倾斜角度测量仪的设计
基于HT46R24单片机倾斜角度测量仪的设计作者：穆亚辉王俊豪来源：《电子世界》2012年第03期【摘要】本设计利用单片机HT46R24控制和力学原理，将荷重元的输出电压转换成角度，显示在LCD板上，很快的测出平台倾斜的角度。
量测的角度范围可以到达1800，以数字输出的方式显示，提高了角度测量精度，并缩短测量时间，还可以利用电子信号输出来控制其他的自动化设备，以达到自动化调控的功能。
【关键词】角度测量仪；荷重元；单片机1.引言许多自动化设备，例如像汽车、飞机、机械平台等都需要测量设备本身倾斜的角度并将测量的结果回馈给控制系统，由系统内部做出适当的回应，进而调整系统的倾斜度，因此高精度倾斜感测器是现代科技发展不可缺少的零件，尤其在建筑产业的应用是更为广泛。
我们应用力学原理设计高精度倾斜感测器，并使用8位元系列HT46R24单片机作微控制器，设计出了精度较高的倾斜感测器。
2.HT46R24单片机角度测量仪工作原理荷重元是一种用来测量应力的感测元件。
当一根导体材料两端受到外力负荷，产生轴向长度稍微拉长，截面也稍微变细，导线电阻值计算公式为：R=ρL/A （1）式中，R—电阻值；L—导线长度；A截面积；ρ—随材料而异的电阻系数量测出应变规导线电阻值的变化，便可计算其伸长量或应变，再进而计算出其应力或受力大小。
利用此原理将导体做成如图1所示的板状，即形成应变规，将应变规贴在所要量测的试片上，由测量实验过程中电阻值变化大小，即能了解材料表面变形情况。
荷重元内部通常包含应变规和一个用来放大应变规内电阻微小变化的电桥电路，如图2所示。
图中的惠斯登电桥是一个相当常见的信号放大电路，电桥上串连两个应变规，一个应变规与所要测量外力方向相同，另一个“补偿应变规”则与量测应变规相垂直，使所要测量外力不会对其产生变形。
在选用荷重元时，须注意量测物体的最大负荷、输出信号值、参考电源大小及反应时间等特性。
一般来说，荷重元的信号极为微弱，且常为非电线性的输出，需要经过信号放大器作放大与补正处理，才能得到量测力的精密度。
基于STC15单片机的数字式倾角仪应用设计
基于STC15单片机的数字式倾角仪应用设计数字式倾角仪是一种利用重力感应器实现对物体倾斜角度测量的仪器，广泛应用于建筑、交通、地质勘探、航空等领域。
本篇文章将介绍基于STC15单片机的数字式倾角仪应用设计。
一、技术原理数字式倾角仪由MEMS加速度传感器（三轴）和信号处理电路组成。
当物体发生倾斜时，重力作用于加速度传感器，传感器产生电信号，STC15单片机将这些信号转换为数字信号，通过处理得出物体的倾斜角度。
二、硬件设计1.硬件组成本设计所需的硬件组成如下：① STC15F2K60S2单片机②三个MEMS加速度传感器③发光二极管灯④电容式按键⑤ 8位数码管⑥可变电阻⑦电源模块2.硬件电路图（如图所示）三、软件设计1.软件流程图（流程图如图所示）2.软件设计①定义引脚和头文件在代码中定义引脚和头文件，包括MEMS加速度传感器的引脚和STC15单片机的引脚。
②初始化中断和定时器在代码中初始化中断和定时器，以便可以正确触发MEMS加速度传感器和STC15单片机的操作。
③测量传感器数据并显示在代码中，STC15单片机将从三个MEMS加速度传感器中存储的数据读取出来，并将其转换为数字信号，然后将倾斜角度显示在8位数码管上。
此外，也可以将倾角数据通过串口传送到计算机上进行保存、打印分析。
④加入校准功能在代码中，加入校准功能，可以将数字式倾角仪的误差降至最小。
四、应用范围数字式倾角仪广泛应用于各种测量场合，如建筑施工测量、工程机械起重预警、交通安全、地质勘探、航空导航、体育场地水平预警等方面。
采用STC15单片机作为控制核心，数字式倾角仪具有数据准确、操作简便、稳定性高、可靠性强等优点。
基于单片机的角度测量仪的设计
文章编号:1673-1255(2005)02-0060-04基于单片机的角度测量仪的设计杨凤年1,何文德1,刘光灿2(1.长沙学院计算机系,湖南长沙410003;2.北京理工大学光电工程系,北京100081)摘 要:分析了基于A T89S51单片机的角度测量的硬件组成、电路设计原理.给出了主函数的工作流程和源代码.设计样机已通过多种环境实验的测试.关键词:单片机;A T89S51;角度测量;C51中图分类号:TP302.7 文献标识码:ADesign of Angle Measuring Device B ased on Monolithic MicroprocessorYAN G Feng 2nian 1,HE Wen 2de 1,L IU Guang 2can 2(1.Depart ment of Com puter Science and Technology ,Changsha U niversity ,Changsha 410003,China ;2.Depart ment of Optical Engineering ,Beijing Institute of Technology ,Beijing 100081,China ) Abstract :The hardware structure and principles of the circuit design of the angle measuring device based on A T89S51are analyzed.The flow chart and source code of the main function on C51are provid 2ed.The samples has passed many environment tests.K ey w ords :monolithic microprocessor ;A T89S51;angle measuring ;C51 角度测量仪是某控制系统中瞄准装置的关键部件.在以往的控制系统中,多数都是仅凭设备操作人员眼睛瞄准指定目标,然后作出相应的控制,这样就带来一系列问题,如操作人员的经验、瞄准装置转盘的空回都可能会严重会影响瞄准目标的精确程度,从而严重影响控制系统的精度.为了提高控制系统的瞄准精度,在控制系统的瞄准装置中增加了角度测量仪部件,操作人员瞄准目标后的角度值能够精确定量地显示在操作面板上,帮助操作人员更加准确地瞄准目标,因此,极大地提高了控制系统的控制精确度.角度测量仪利用光电编码器读取角度值,采用A T89S51单片机实现角度值数码显示、角度值偏差范围的发光二极管指示功能(有三个指示灯,分别指示:偏高、偏低、适中).不论在操作的复杂程度上还是在测量的精度上,都是传统的眼瞄方法、刻度测量及标识方法无法比拟的.作为某控制系统的瞄准装置的重要技术改进,此仪器的应用大大提高了控制系统瞄准的精度,增加瞄准偏差范围的可读性,淘汰了传统的用刻度测量和标识角度的方法,使该控制系统的整体性能得到了显著提高.此外,该角度测量仪只要稍作改动即可广泛用于其它工业控制系统中.1 硬件基本原理首先,角度测量仪利用单片机读取光电编码器测出的角度值,再将角度值转换成密位值并显示在数码屏上(注意:密位(mil )是一种角度单位,密位100=角度6°).单片机判断当前角度值的偏差范围,给出控制信号点亮相应的发光二极管指示灯.此外,角度测量仪还可以通过控制面板上的开关控制实现瞄准镜照明和低温环境下瞄准镜自动除霜功能.单片机的主要功能是实现角度值数码管显示、角度值范围的发光二极管指示.该系统的难点在于确保角度值转换成密位值收稿日期:2005-01-24作者简介:杨凤年(1966-),女,工学硕士,高级工程师,研究方向为计算机系统结构和嵌入式系统.第20卷第2期2005年4月 光电技术应用EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION Vol.20,No.2 April.2005图1 电路模块图的转换精度和系统在非常温环境下的工作可靠性.硬件分为以下几个模块:控制面板、单片机、光电编码器、电源、数码显示器、发光二极管匹配指示装置、周视镜与直瞄镜照明与除霜,如图1所示.1.1 单片机的选用首先,根据项目的需求分析可以得知单片机要完成的主要功能是:从光电编码器(数据总线宽度是15位)读取角度值后,将该角度值与系统预设的角度值比较,判断瞄准的角度值范围,点亮相应的指示灯.然后将从光电编码器读得的角度值转换成密位值,发送给串行L ED显示驱动器MAX7219,显示在L ED显示器上.从以上分析可以得知,适合此需求的单片机至少应具备3个8位并行I/O端口(其中光电编码器占用2个端口,其它占用1个端口),才能有效工作.众所周知,产品的品质等级通常分为三级:军用级、工业级和商用级,其中,军用级等级最高,商用级等级最低.由于此工业控制设备通常在户外作业,工作环境比较恶劣,故单片机的品质的等级也是需要考虑的一个重要因素.目前,MCS-51系列单片机技术成熟,开发所用的教材和技术资料多,开发工具齐全,市场上产品种类丰富、性价比较高、购买容易,开发语言简单易学(可以用汇编或C51),因此,该系列产品应用广泛,经久不衰.经过综合考虑,单片机采用A TM EL公司生产的A T89S51芯片(MCS-51系列单片机的工业级产品),兼容MCS51微控制器,4K字节FLASH存贮器支持在系统编程(ISP)1000次擦写周期,128字节片内RAM,工作电压4.0V到5.5V,全静态时钟0Hz到33MHz,三级程序加密,4个8位的可编程I/O端口,2/3个16位定时/计数器,6/8个中断源,全双工UAR T,低功耗支持Idle和Power down模式,Power down模式支持中断唤醒,双数据指针,上电复位标志.A TM EL公司生产的89系列单片机在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域都有着极及其广泛的应用.所选型号为A TM EL公司的A T89S51-24PI,工业级.能适应-45℃～+80℃环境工作.单片机的I/O端口资源分配是:P0和P2口分配给光电编码器,P1口分配给显示驱动和匹配指示发光二极管控制以及MAX813.1.2 单片机主要外围电路的设计监控电路:为了提高单片机在恶劣环境下的可靠性,必须采用μP监控电路来增加单片机的稳定性和抗干扰能力.硬件监控电路有以下功能:(1)上电复位:保障系统加电时能正确地启动.(2)掉电复位:当电源失效或电压降到某一电压值以下时,产生复位信号对系统进行复位.(3)看门狗定时器:当处理器遇干扰,程序运行混乱产生“死锁”时,对系统复位.此处采用MAXIM 公司的军用级芯片MAX813LMJA.显示驱动电路:为了节省单片机I/O口资源,降低单片机的计算量,选用串行L ED显示驱动器MAX7219.它能控制8位共阴级L ED数码管,具有16级亮度控制、译码灵活,上电发光二极管全熄、只占用三根单片机I/O口线等优点.单片机及主要外围电路的原理如图2所示.图2 电路原理图1.3 单片机与外围器件的数据通信单片机与光电编码器:因为光电编码器获得角度值的速度远大于单片机的工作速度,所以,单片机可以认为光电编码器上的数据总是处于16第2期 杨凤年等:基于单片机的角度测量仪的设计 “准备好”状态,单片机随时可以读取有效数据,16位的角度值分成高8位和低8位两次读取,它们之间的数据是并行无条件传送.单片机与MAX7219:从单片机和MAX7219的工作速度来看,CPU 两次发送数据给MAX7219的时间间隔,足以保证单片机访问MAX7219时,MAX7219总是处于“准备好”状态.而MAX7219又是串行L ED 显示驱动器,因此,单片机与MAX7219的数据传送是串行无条件传送.单片机与MAX813:因为单片机向MAX813发送数据时,MAX813只等待接收单片机的初始化数据而并无其它的工作其工作速度足够快,可以认为MAX813总是处于“准备好”状态.因此,单片机与MAX813的数据传送也是串行无条件传送.2 软件设计原理角度测量仪启动工作后,单片机的工作过程是:系统启动后,初始化外部看门狗,初始化显示驱动芯片MAX7219,给看门狗计数器赋初值,读取光电编码器获取的角度值,当角度偏差值处在某一特定范围时,单片机发出控制信号点亮与该范围相对应的指示灯,将当前的角度值转换成密位值显示在数码屏,又重新给看门狗计数器赋初值,进入下一个工作循环.主函数的工作流程如图3所示.图3 主函数流程图 请注意,流程图中,带双线边的矩形框表示该部分为函数.在本课题的软件设计中,采用了C51编程语言,因为用C51编程不仅效率高,而且可读性很强.下面给出主函数的源代码.void main (void ){WDI =0; //初始化看门狗InitMax7219();//初始化MAX7219的函数while (1){WDI =1; //“喂狗”WDI =0;//“喂狗”G etAngle ();//读角度值的函数MachView ();//指示灯匹配显示的函数G etMil ();//计算密位值的函数DisplayMil ();//显示密位的函数}}在主函数调用的几个函数中,InitMax7219()的功能是初始化L ED 显示驱动器MAX7219,单片机向MAX7219发送消影控制、亮度、扫描范围、译码方式信息.G etAngle ()的功能是从光电编码器读角度值,先读高8位,再读低8位,然后将高8位和低8位合并,最后舍去最低位(光电编码器的有效数据是15位).MachView ()的功能是角度偏差指示灯匹配显示,将该角度值与系统预设的角度值比较,判断瞄准的角度值是偏高、偏低还是适中.如果角度值偏高,那么单片机就发出控制命令,使偏高指示灯亮,如果偏低,则令偏低指示灯亮,否则令适中指示灯亮.值得注意的是,计算密位值的函数G etMil ()的代码编写,要考虑角度的转换精度,在本课题中,采用了C51中的long 型变量来分别存放密位的整数和小数部分,并将角度的小数部分放大十万倍后参加运算,保证转换精度.DisplayMil ()的功能是驱动MAX7219显示密位.首先显示密位,判断此角度是否进入预设区,如果是,熄灭符号灯,各位显示“0”;如果没有,判断角度值是否为负,如果是,显示负号,如果是正,不显示负号,然后将角度值显示在L ED 显示屏上.26 光 电 技 术 应 用 第20卷由于篇幅所限,程序的源代码没有给出.3 结束语为了使角度测量仪能在各种可能的恶劣环境下(如高温、低温、振动等环境)正常工作,在整个设计过程中,要着重考虑的问题是硬件的可靠性和软件的可靠性.设计时的注意事项如下:(1)电源芯片的额定功率选择要留有余量.(2)元器件选择工业级或军用级产品.(3)采用硬件看门狗方案,防止单片机程序锁死.本课题设计的样机已处于测试阶段,目前已通过了常温和多种环境试验的测试.参 考 文 献1 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:清华大学出版社,2002.231-2402 徐爱钧,彭秀华.单片机高级语言C51Windows环境编程与应用[M].北京:电子工业出版社,20013 Atmel Corporation.8-bit Microcontroller With4K Bytes In-System Programmable Flash[M],Atmel Corporation,20014 G etting Started and Greating Applications User’s Gui2 de[M].K eil Elektronik GmbH.and K eil S oftware,Inc, 20005 C51Compiler User’s Guide[M].K eil Elektronik GmbH.And K eil S oftware,Inc,2000简讯:法国的Scorpio轻型红外探测器 法国S ofradir公司投入市场的先进的高分辨率红外探测器Scorpio主要用于国土安全、军事及政府应用等领域。
基于HT46R24单片机倾斜角度测量仪的设计
图１运用应变规量测变形量
［ Ｅ２荷重元 内包含 应变规和 电桥 电路
在选 用荷重元 时，须注意量测
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图３将类 比信号转化为数字信号
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般 来说 ，荷重 元 的信 号极 为微弱 ，
主体用 来执行 逻辑 、运算 、计 时、
提前预 测意外 事故 的发 生；角 度测 型所 形成 的倾 斜角 ，使放 置在 车 内 的东西不易倾倒 ；可安装于病床 中让 病患能 自动调整所需倾斜角 ，而不须 再使用手摇方式调整病床的角度等。
教 学平 台，可 以积 极推进 高校 信息 参考文献
【 张喜艳 ， 月光． 育信 息化 绩效特 征 ４ ］ 解 教 ［ 王同 明． 网络辅助教学的研 究与探 结构解析Ｏ． １ ］ 高校 １ 中国电化教育， １ （ ： —７ ２ １８ ２ ２ ． ０ ）４ 化 建设 的应用水 平 ，可 以提 高学生
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基于ＨＴ ６ ４ ４Ｒ２ 单片机倾 斜角度测量仪 的设 计
许 昌职业技术学院 穆 亚辉 王俊 豪
基于单片机的智能测角仪设计
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔ ｇ ｏ ｎ ｉ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ ＴＣ１ ２ Ｃ５ Ａ６ ０ Ｓ ２ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ｎ ｉ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｇ ｏ ｎ ｉ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｄ ｅ ｏ ｆｔ ｈｅ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ Ｍ Ｍ Ａ７ ４ ５ ５ ， ｈｅ ｔ ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ＤＳ １ ３ ０ ２ ， ｈｅ ｔ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｈ ｕ ｍｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ＤＨＴ１ １ ， ｎｄ ａ ｈｅ ｔ ｖ ｏ ｉ ｃ ｅ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ Ｓ Ｄ４ ０ ０ ４ ． Ｔ ｈ ｅ ｇ ｏ ｎ ｉ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｉ ｎ ｇ ｈｅ ｔ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ， ｔ ｉ ｍｅ ， ｅ ｍｐ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｎｄ ａ ｈ ｕ ｍｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ，ａ ｎｄ ｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｈ ａ ｓ ｈｅ ｔ ｆ ｕ ｎ ｃ ｉ ｔ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ａ ｔ ａ — ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｖ ｏ ｉ ｃ ｅ ｂ ｒ ｏ ａ ｄ ｃ ａ ｓ ｔ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｏ ｓ ｐ ｓ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ａ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｏ ｆ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｎｄ ａ ｐ ｏ ｐ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ．
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基于单片机的角度测量仪摘要:本文所设计的角度测量仪是利用AT89S51单片机，该单片机是一款低功耗，CMOS8位单片机，片内含4KB的可系统编程的Flash只读程序存储器的单片机，角度测量仪将被测物体与光电编码器同轴转动，将光栅的光信号传输给光电编码器内部的光敏电阻，经过处理后产生脉冲，通过编写程序导入单片机，当来一个脉冲下降沿沿时，定时器中断，则脉冲数加一，进而将脉冲数转换成数字量，通过转换成角度量，最后通过液晶显示屏直接显示所测出的角度。
本文同时分析了角度测量仪的硬件组成，设计原理，给出了设计程序。
关键字：光电编码器单片机显示屏角度测量目录1 前言 (1)2系统的基本构成 (2)2.1系统的框图 (3)2.2光电编码器的原理 (3)2.3 AT89S51单片机的原理 (6)2.4液晶显示屏原理 (8)3硬件部分的设计 (10)3.1 .脉冲数与角度的关系 (10)3.2光电编码器与单片机的接口技术 (10)3.3系统仿真框图 (11)4软件部分的设计 (12)4.1软件部分总程序框图 (12)4.2中断程序流程 (13)4.2.1外部0 中断 (13)4.2.2定时器中断 (14)总结 (16)参考文献 (18)附录191 前言角度测量是计算科学的重要组成部分,随着社会的发展，角度测量越来越广泛应用于机械，光学，航空航天等各个领域，技术水平和准确度也在不断提高。
随着科技的进步，测角技术的精度不断提高，测量领域也不断扩大；数字化的发展使测角技术实现自动化，测角的方法也越来越多。
角度是一个重要的几何量计量参数，它不仅应用于军事领域还运用于商业领域和工业领域，而我国的角度测量技术也经过了几十年的发展，随着21世纪科学技术的不断发展，传统的角度计量工具框式水平仪和机械式测量方法将被数字角度测量仪所取代，数字角度测量仪具有性能稳定，工作可靠，测量精确度高，使用简单，因此一个电子检测数字显示的现代化角度测量时代即将开始。
近年来工业上常用的测角方法有机械式测角技术、激光测角技术和光学测角技术。
机械式技术由于研究较早，技术已经非常成熟。
其优点是简单、成本低，但是其设备体积庞大，测量延时大、精度低，多数情况下不能实时动态测量，而且不能实施非接触式测量，所以不合适高精度的角度测量。
光学测角技术是随着新型光电材料和器件的出现而发展起来的，光电编码器方法测角具有体积小，重量轻，品种多，分辨力高，承载能力强，性能稳定，可靠使用寿命长等诸多优点。
基于单片机的角度测量仪的系统简介光电编码器是集光，机，电于一体的转速位移传感器，当编码器转轴带动光栅圆盘旋转时，发光元件发出的光被光栅盘的狭缝切割成断断续续的光线，并被接收元件接收产生初始信号，该信号经后继电路处理后输出脉冲信号，该脉冲信号传输给AT89S51单片机，利用AT89S51单片机内部的计数器实现对光电编码器输出脉冲的加减可逆计数，而输出的脉冲数与角度值成正比，通计算脉冲数进而算出角度值。
角度测量仪利用单片机算出脉冲数，用液晶显示屏读取光电编码器测出的角度值。
基于单片机的角度测量仪课题的研究意义角度测量仪是某些控制系统中瞄准装置的关键部件。
在以往的控制系统中，多数都是仅凭设备操作人员眼睛瞄准指定目标，然后作出相应的控制，这样就带来一系列问题，如操作人员的经验、瞄准的精确的都肯能带来一些较大的误差。
而机械式测角利用分度盘，而分度盘用不能无限增加，从而受到限制，利用角度测量仪能够可以很方便的显示前后的角度差距，对工人的专业要求降低，可以提高生产效率，有助于产品质量和安全提高。
因此研究一种适用的角度测量方法是必要的。
电子技术在工程测量中已经普遍应用，相对于传统的测量方法，光电编码器在显示、精度、成本上占很大的优势。
而且随着传感器技术和测量方法的发展，对于一些物理量的测量变得更方便。
在数据管理上，也可以将数据测量出，通过通信的方式传送到上位机，有助于产品和加工过程中的数据统计分析。
电子技术的应用能够和企业的自动化系统配合，作为整个企业自动化生产的一个子系统。
本设计就是从电子应用出发，希望借助于将电子测量技术，将该方法应用到工程实际生产中，提供一种低成本、效率高、精度高的角度测量方法。
2系统的基本构成2.1系统的框图该系统主要由光电编码器，AT89S51单片机，D触发器，1602液晶显示屏等组成，系统基本框图如2-1所示图2-1系统的基本框图2.2光电编码器的原理光电式码盘亦称脉冲式角度—数字编码器，光电编码器的光栅盘和内部结构示意图如图2-2-1所示。
在一个圆盘上按码道开有相等角距的缝隙，在码道上分为透明区和不透明区，分别代表“1”和“0”，相当于接触式码盘的导电区和不导电区。
光电式码盘的优点是无触点磨损，因而允许高转速；每条缝隙宽度可做得很小，所以精度和分辨高。
图2-2-1 光栅盘和光电编码器内部结构示意图光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，是目前应用最多的传感器。
一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成。
而光栅码盘图案主要由零位标记码道和循环码道组成，零位标记码道称作参考点码道，用来检测被物体角度的基准点。
有时需要用光扫描将近360度来寻找绝对基准点。
循环码道由一系列相互交错的透明和不透明的光栅线条组成。
零位标记码道由几个位置相互分立的光栅组成。
当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变化，然后将明暗光线发送给光敏电阻，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。
通过计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角度；其原理如图2-2-2所示。
此外通过有一定相位差的两组增量式脉冲信号可以检测出光电编码器的转动方向。
光电编码器测角体积小，承载能力强，数字化程度高，性能可靠，使用时间长。
图2-2-2 光电编码器增量式光电编码器由主码盘、鉴向盘、光敏元件和光电变换器组成。
在光电盘周边上刻有距离相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。
而光栅码图案主要由循环码道和零位标记码道组成，循环码道由一系列均匀交错的透明区和不透明区光栅线条组成，零位标记码道由几个距离相等的光栅组成零位标记码道。
由于码道信号的读取采用的是光电扫描原理，对测量基准的扫描是非接触的，因此没有磨损。
如果一个光栅的刻线与另一个光栅的狭缝对齐则光线无法通过，如果一个光栅的透明区刚好与另一光栅的透明区在同一条直线上时则光线刚好通过，利用光电扫描法可检测到非常精细的栅线，扫描产生等同于栅线同期输出的脉冲信号。
工作时，主码盘与转轴一起转动，鉴向盘静止不动，当光电码盘随工作轴一起转动时，光线透过光电码盘和光栏板狭缝，形成光信号。
光敏元件接收光信号信号，经过处理后转换成脉冲信号，然后由单片机来计脉冲数，最后由液晶显示屏直接显示角度量。
光电编码器的测角精确度与码盘圆周上的透光槽数 n有关，能分辨的角度α为 360°/n，分辨率为 1/n 。
为了判断码盘旋转时是顺势正还是逆时针，必须在光栏板上设置两个透明区，两者之间相差4/1截距，并设置了两组对应的光敏元件，由光敏元件来得出高低电平，进而传给单片机。
当检测对象旋转时，光码盘会被带动旋转，进而光源一会穿过透明区，一会被遮挡，就这样循环反复，光电编码器便会输出一组脉冲信号.光电编码器正反转根据 A、B 信号的波形及其时序关系得出，A的高电平先于B出现，则判断为正转，B的高电平先于A 出现时则判断为反转。
同时A 和 B 输出的脉冲个数与被测角位移变化量成线性关系，因此，通过对脉冲个数计数就能计算出相应的角位移。
当测量旋转角度时，还要确定码盘转动位置的起始点，因此必须设定一个基准点，这基准点就是光栅码盘中的“零位标志槽”，当光栅码盘旋转时，零位标志槽也跟着旋转，当零位标志槽旋转到与光栅板对齐的时候，光线恰好穿过，传输给光敏电阻，产生一个高电平，到传过去之后，光敏电阻一直处于低电平，所以只有旋转一圈才能产生一个脉冲，且是零位标志槽与光栅板对齐的时候，所以通过检测这个脉冲就能确定码盘转动的起始点，再根据 A 和B 之间的这种关系正确地解调出被测机械的旋转方向和旋转角位移即就是所谓的脉冲辨向和计数。
通过求出脉冲数得出光电编码器转了多少角度，最后通过光电编码器齿轮与被测物体齿轮关系求出被测物体旋转的角度。
光电编码器的A,B,Z输出的波形图如2-2-3所示。
图2-2-3 光电编码器输出的信号波形2.3 AT89S51单片机的原理AT89S51 为 ATMEL 所生产 8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为4KB。
（一）、AT89S51主要功能列举如下：1，8位CPU。
2，片内带振荡器，频率范围1.2MHZ—12MHZ。
3，片内带128B的数据存储器。
4，片内带4KB的程序存储器。
5，程序存储器的寻址空间为64KB。
6，128个用户为寻址空间。
7，21个字节特殊功能寄存器。
8，4个8 位并I/O接口:P0，P1,P2,P3。
9，两个16位定时/计数器。
10，两个优先级别的5个中断源。
11，1个全双工的串行I/O接口，可多机通信。
12，111条指令，含乘法指令和除法指令。
13，片内采用总线结构。
14，有较强的位处理能力。
15，采用+5V电源。
（二）、AT89S51各引脚功能介绍：芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见右图）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4....40，其中芯片的1脚顶上有个凹点（在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。
1、主电源引脚（2根）VCC单片机的第40引脚，电源输入，接＋5V电源。
GND单片机的第20引脚，为接地线。
2、外接晶振引脚（2根）XTAL1为单片机的第19引脚，作用是片内振荡电路的输入端。
XTAL2单片机的第20引脚，为片内振荡电路的输出端。
3、控制引脚（4根）RST单片机的第9引脚，作用是复位，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG单片机的第30引脚，为地址锁存允许信号。
PSEN单片机的第29引脚，为外部存储器读选通信号。
EA/VPP单片机的第30引脚，程序存储器的内外部选通，如果接的是低电平则外部程序存储器读指令，如果接高电平则内部程序存储器读指令。
4、可编程输入/输出引脚（32根）AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8根引脚，共32根。
每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等。
PO口单片机的第32引脚到第39引脚，为8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7。