一种角度传感器的电路设计

一种角度传感器的电路设计

摘要：在现代工程技术中，经常会遇到角度的动态测量问题。例如：起重机的起重臂提升角度的控制、钻机的钻头切入角度的控制、挖掘机的挖掘深度控制等，都需要对执行机构的姿态进行测量，此时角度的测量是必不可少的，有了角度值就能够准确地计算出执行机构的运动范围，在很好地满足施工要求的同时也提高了安全性。本文介绍一种角度传感器的电路原理及设计过程，并通过仿真验证等环节最终制作出电路板，为机械设备的操控提供了方便。

关键词：工程技术角度传感器测量

中图分类号：s611文献标识码： a 文章编号：

一．设计总思路

谈到机械设备执行机构角度的测量，不难想到脉冲编码器，使用脉冲编码器可以将机械转角转换为电脉冲，然后通过脉冲计数计算角度值，下图为设计总图。那么使用什么芯片采集脉冲编码器输出的脉冲，如何计数、如何计算、如何输出，就是本文要介绍的主要内容。

二．硬件简介

在整体电路中，要用到多个不同性质和功能的芯片来实现我们所要的功能，现对主要硬件介绍如下：

（一）脉冲编码器

脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，可以把角位移转换成电信号的一种装置。广泛地应用于工业各领域，其工作原理已为人们所

熟知，这里不再赘述。

（二）四倍频电路qa740210

在实际应用中，可以直接将脉冲编码器输出的脉冲送到计数器中计数，这样角度计数的精度就完全取决于脉冲编码器的分辨率，但如果采用四倍频的方法，不但可以提高精度，同时在满足精度要求的情况下可以选用分辨率较降的脉冲编码器，缩小了体积而且降低了成本。

qa740210可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送加减计数器进行加、减计数，如图为四倍频电路：（三）计数器74hc193

如图74hc193是可预置同步4位二进制加/减计数器，设有加计数脉冲输入端，减计数脉冲输入端，分别在接收到相应的脉冲时对输出的二进制结果进行加减计数。同时还设有借位端和进位端、置数端和复位端等，利用这些端口可实现级联计数，由于是4位二进制，每个芯片最多只能记录15个脉冲数，若采用bcd计数法，需要四个芯片级联才能记录上万的脉冲数量，本文采用4个芯片级联，最大可以记录65535个脉冲，可以满足绝大部分的测量要求，关于级联的电路由于篇幅的原因不再赘述。

（四）可编程控制器atmega64

图为atmega64芯片是基于增强的avr risc结构的8位低功耗cmos微处理器，64个引脚中有53个可编程的i/o 接口，并具有可编程的内部上拉电阻。本电路中将b、e作为输入端口，将c、g作

为输出端口，对输入的16位二进制数作必要的转换和计算。并将计算结果送往显示芯片。

（五）显示驱动器icm7218a

icm7218系列驱动器是由maxim公司生产的通用8位led数码管驱动器,有icm7218a、icm7218b、icm7218c、icm7218d和icm7218e 五个品种,其中icm7218a(共阳极)能很方便地与微处理器mega64配合使用，其输出可以直接驱动led显示而不需要外加驱动电路，使用方便。因本电路的最终显示只有五位数，因此显示驱动器的输出只需接五片共阳极led数码管即可。

三．主板的工作原理

主板工作原理框图如下：

在旋转机构的转轴上连接脉冲编码器，码盘转动输出脉冲，两路正交信号接入四倍频芯片的0o和90o管脚，接收来自光电码盘的正交方波，通过四倍频电路产生两路加、减计数信号，由+cpo和-cpo 两个管脚输出，并分别接入可逆计数器的加计数时钟端cpu和减计数时钟端cpd，通过计数器级联电路产生的16位2进制数由四片74hc193的q0~q3管脚输出，并由mega64的pb0~pb7和pe0~pe7端口接收，通过程序计算转化为角度值，输出口pg0和pg1接入

icm7218a的write和mode端口作为控制位，数据从pc0~pc7输出到显示驱动器的id0~id7，然后通过显示驱动器转化为数码管可识别的信号并连接至数码管。这样就可从数码管的显示中直观地读到

机械转过的角度值。

控制器atmega64用主程序如下：

由于篇幅原因没有列出全部函数，简单介绍如下：

convert()函数的功能是接收变量dd的值并将其转换为10进制，同时根据光电编码器的分辨率和4倍频计算出角度值赋给

led_buf[5]。

display()函数的功能是调用icm7218a的命令字，把led_buf[5]的数值写入显示驱动器进行显示。

四、结语

本文中介绍的角度传感器，利用脉冲编码器及常见的芯片，并通过脉冲计数的方式，可以方便地对机械设备的执行机构进行角度的测量，在工程上提升了设备的工作效率、质量以及安全性，并使人工操控更为便捷。

参考文献：

1. 《光电码盘四倍频分析》韩壮志李伟王田苗王守杰

2. 《新型显示驱动器icm7218a原理及应用》黄复清