基于单片机的便携角度测量仪

单片机

基于单片机的便携角度测量仪

刘军胜左谨平高菁（中国地质大学数理学院）

摘要：文章基于５５５定时器与自己制作的可变电容组成多谐振荡器，将角度变化量转变成频率变化量，从而构成了角度传感器。利用单片机对角度传感器输出的频率信号进行测量，然后通过显示部分将角度变化量显示出来，从而实现了角度的智能测量。通过实验数据曲线对比可以得出，该测量仪具有智能化程度高、测量方便、数据可靠等优点，可以广泛地应用到工业和实验设备中。

关键词：角度传感器，智能测量，单片机中图分类号：ＴＰ２１２．９

Ａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｈａｔｉｓｂａｓｅｄ

ＬｉｕＪｕｎｓｈｅｎｇ

ＺｕｏＪｉｎｐｉｎｇ

ＧａｏＪｉｎｇｏｆ

ｏｆｆ

ＭＣＵ

（ＧｒａｄｕａｔｅＣｏｌｌｅｇｅ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｕｓｅａｐｉｅｃｅｏｆＮＥ５５５ＰＩＣａｎｄａｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｗｈｏｓｅｖａｌｕｅｃａｎｂｅｃｈａｎｇｅｄａｔａｎｙｍｏｍｅｎｔ，ｔｏｆｏｒｍ８ｎａｎｇｌｅ—ｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｃａｎｔｒａｎｓｌａｔｅａｎｇｌｅｖａｒｉｅｔｉｅｓｔｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅｎ，ｗｅｕｓｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）ｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｓｏｕｔｐｕｔｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒａｎｄ

ａ删（Ｍｉｃｒｏ

ｄｉｓｐｌａｙｔｈｅｆｉｎａｌａｎｇｌｅｖａｌｕｅｂｙａＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）．Ｓｏｗｅｇｅｔａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａ１）ｐａｒａｔｕｓ．Ａｎｄａｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｔｉｓａｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｒｅｌｉａｂｔｅａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅ．ＩｔＣａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ＭＣＵ

‘

０．引言

器Ｃ放电所需的时间为：

（１—１）

当Ｃ放电结束时，Ｔ截止，Ｖｃｃ将通过Ｒ１、Ｒ２向电容器Ｃ充电，Ｖｃ由１／３Ｖｃｃ上升至１１２／３Ｖｃｃ所需的时间为：

（１—２）ｆ朋＝俾ｌ＋尺２）ｃｌｎ２≈０．７僻ｌ＋Ｒ２／）Ｃ

当Ｖｃ上升］！Ｕ２／３Ｖｃｃ时，触发器又发生翻转，如此周而复始，如图１—２，在输出端就得到一个周期性的方波，输出电压幅值为２．７Ｖ，其频率为：

ｔｐＬ＝Ｒ２Ｃｌｎ２≈Ｏ．７Ｒ２Ｃ

在工程或实验中，经常用对长度、质量、温度、角度等物理量进行测量，前三种物理

的测量仪器都发展的很成熟，智能化程度也很高，而测量角度的仪器只是在实验室和精密机械加工中比较多，并且一般都很笨重、庞大，不便于携带。本文应用５５５定时器将角度信号转化为单片机可测的频率信号，进而将结果显示到液晶屏上，实现了角度测量的智能化。该仪器具有成本低廉，体积小，功耗低，便于携带等优点，在实验室和工业设计中有很好的应用价值。

１．角度传感器的原理

利用５５５定时器构成多谐振荡器，如图１一ｌ。其工作原理：接通电源后，电容Ｃ被充电，Ｖｃ上升，当Ｖｃ上升到２／３Ｖｃｃ时，触发器被复位，同时放电ＢＪＷＴ导通，此时Ｖｏ

！。！：垒三

。ｔ忍＋ｆ册一俾ｌ＋２Ｒ２／｝Ｃ

，：

１

（１－－３）（１－－４）

故，周期ｒ２÷＝ｏ．７俾ｌ＋２Ｒ２，）ｃ

Ｊ

由于５５５内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小…。改变图１—１中可变电容的容值，则电压输出引脚上的波形周期会相应地发生变化，由式（１—４）可知，它们是成线性关系的［２】。若将可变电容做成是对角度敏感的器件，则构成了角度传感器。

２．可变电容器的原理

为了简化可变电容器的原理，这里以最简单的两层极板的可变电容器为例进行说明。

平行板电容器的电容计算公式为：ｃ亏鼍笋（１－－５）

圈ｌ一１

５５５多谐振荡器

图１—２工作波形

低电平，电容Ｃ通过Ｒ２和Ｔ放电，使Ｖｃ下降。当ＶＣ下降至Ｕ１／３ＶＣＣ时，触发器又被置位，Ｖｏ翻转为高电平。电容

其中Ｅｏ为空气的介电常数，晶为两极板间介质的相对介电常数，Ｓ为有效极板面积，ｄ为极板间距。这里Ｅｏ、ａ均为常数，如果保持ｄ不变，则电容器的电容Ｃ与有效极板

万方数据　

单片机

面积Ｓ成正比关系。由公式（１－－３）（１－－４）可以看出，待测频率ｆ与电容Ｃ成反比例关系，而频率的倒数周期Ｔ却与电容Ｃ成正比关系。为了得到较好的线性度，同时也便于测量，我们选择周期作为待测量。

为了实现电容值与角度之间的联系，将平行板电容器的上下极板做成圆形的极板，极板的基底由介电系数较大的材质构成，每个极板又分为等大小的四个扇形，其中相互对称的两个扇形区域附着有金属片，另外一对扇形则没有，同极板的铜片相连通。如图１—３。固定其中的一个极板，旋转另一个，两极板之间的有效面积随之发生变化，电容器的容值随之发生改变。于是就形成了一个容值随角度变化的电容器Ｌ３Ｊ。

４．单片机测量系统

利用单片机来测量频率信号量其优点是智能化水平高，可以完全实现自动测量，但是其测量精度和测量范围有限。角度传感器电压输出幅值为２．７Ｖ，对于ＣＯＭＳ电平来说，高于２Ｖ就是高电平，小于０．４Ｖ就是低电平，所以角度传感器的电压输出引脚可以直接接到单片机的引脚上［４｜。

霎

———０

－－－－ｏ－－－－－－－

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单片机

－－－Ａ‘—１一

１

一

蓦

１霉１２－－１硬件结构设汁

１＝簪Ｉｌ一３ｕＪ变电容

将此可变电容器替换图ｌ一１中５５５多谐振荡器中的可变电容ｃ，从而将角度变化量转换为随之改变的电压信号量，测量该电压的频率就可以计算出对应的角度变化量。

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