基于单片机的角度测量仪

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19

1 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