CN104359394A

CN104359394A - 高精度数字式角度测量仪

Info

Publication number: CN104359394A
Application number: CN201410152307.3A
Authority: CN
Inventors: 徐锦钢; 杨克; 沈緐; 孙俊杰; 平莉
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-02-18

Abstract

本发明一种高精度数字式角度测量仪，包括：用于控制高精度数字式角度测量仪的各芯片、元器件协同工作的微处理器（AT89S52单片机）；磁阻式角度传感器KMZ41；信号调理器UZZ9001；存储器，应用非接触的方式利用磁场对介质材料电阻的影响将角度信号转换为电信号进而得出角度值,避免了由接触面带来的损耗。使得人们可以简单方便的使用本发明进行角度的测量。其优点是：1、测量精度高，使用操作简单，用户只需按下两次按键即可获得被测对象的角度值，并且体积小、成本低、使用寿命长。

Description

高精度数字式角度测量仪

技术领域

本发明属于检测与自动化装置领域，具体设计一种通过简单按键操作即可获得所测对象角度值的电子测量仪器，测量精度高达0.1度，所测角度值直接以数字量的形式显示在微型液晶屏上，采用减法计算夹角值，无需调零。

背景技术

人们在从事教育教学或者工程实践中，经常会遇到测量角度的问题。最传统的做法是拿三角板等器具手工测量，这种做法有明显的缺陷：1、由于是通过人眼读取刻度值，因此精度不高，只能应用于粗测的场合；2、测得的角度值无法直观显示出来，需要人眼读取刻度值获取并同时手工做好记录。如今也有采用增量编码器、同步机等技术研制角度测量仪的，但这种技术存在接触面、触点易磨损等缺点,必须定期进行更换,在实际应用中降低了设备的可靠性,增加了维修成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种高精度数字式角度测量仪，适用于角度测量场合。

本发明技术方案为：高精度数字式角度测量仪，其特征在于，包括：

用于控制高精度数字式角度测量仪的各芯片、元器件协同工作的微处理器（AT89S52单片机）；

用于测量角度的磁阻式角度传感器KMZ41；

用于处理KMZ41输出角度信息的信号调理器UZZ9001；

用于存储角度信息的EEPROM存储器（AT24C02）；

用于确定夹角位置并获得角度值的按键（一共3个）；

用于显示所测角度信息的12864型液晶显示屏；

用于给角度测量系统供电的电源电路。

所述的高精度数字式角度测量仪的微处理器用于控制高精度数字式角度测量仪的各芯片、元器件协同工作，型号为AT89S52单片机。

所述角度传感器型号为KMZ41，其管脚和信号调理器UZZ9001连接，具体连接方式为：KMZ41的3、4管脚为电源端，接+5V（正5伏，下同），7、8脚为GND端，接地；KMZ41的 1、2、5、6管脚分别顺次和UZZ9001的24、23、1、2管脚相连接；因为KMZ41电路和UZZ9001电路需分开工作，所以各自分别引出了1个插线口P1和P6，最后两者通过6针排线互连，以上连接方式可以参看说明书附图3。

所述的高精度数字式角度测量仪包含一个信号调理器UZZ9001，其管脚和KMZ41、微处理器AT89S52相连，其中与KMZ41的连接方式已在上述第3点详细叙述了，此处不再赘述。UZZ9001的其他管脚连接方式为：UZZ9001的4、5、6、7、9、10、18、19、20管脚接地，17、21管脚接+5V，15、16管脚各接1个10K的精密可调电阻，并将其跨接于+5V和地之间，调节这2个可调电阻的大小，即可校准角度的输出值，3、8、11、22管脚悬空，12、13、14管脚共同组成UZZ9001的SPI串行通信接口，与AT89S52单片机做数据交互，分别顺次接至单片机的P2.1、P2.2、P2.3口，以上连接可以参看说明书附图3。

所述EEPROM存储器型号为AT24C02，存储容量为2Kbit，具有掉电不丢失的特点，用于存储用户通过按键操作测得的角度信息，AT24C02的第5（SDA）、第6（SDL）管脚组成了一个IIC通信接口，与AT89S52单片机做数据交互，分别顺次接至AT89S52单片机的P1.0、P1.1口，并分别通过一个10K电阻做上拉处理，AT24C02的1（A0）、2（A1）、3（A2）、4（GND）、7（WP）接地，8（VCC）接+5V，具体连接方式见说明书附图3。

所述的高精度数字式角度测量仪包含1个微型液晶显示屏，用于显示所测的角度值，型号为12864，带字库，可显示四行共32个汉字或64个英文字符，该液晶显示屏的引脚连接为：1、20管脚接地，2、15、19管脚接地，3管脚接一个10K的可调电阻，并跨接于+5V和地之间，调节该可调电阻的大小即可调整液晶屏的对比度，7、8、9、10、11、12、13、14为液晶屏的数据端口，分别与AT89S52单片机的P0.0-P0.7相连，4、5、6为液晶屏的读写控制端，分别接至AT89S52单片机的P2.5、P2.6、P2.7口，以上连接可以参看说明书附图3。

所述的高精度数字式角度测量仪包含3个按键，1个为功能键，1个为前进键，1个为后退键，用于让用户向前或向后查看过去所测得的角度值，这3个按键的一端接地，另一端分别依次接至AT89S52单片机的P3.4、P3.5、P3.6口，当有按键被按下时，单片机的这3个端口将出现低电平信号，说明有按键被按下，以上连接可以参看说明书附图3。

所述的高精度数字式角度测量仪的电源电路的电压来自于三节1.5V的干电池，该电压经过10uf电解电容接地滤波处理，即变成纯净稳定接近+5V的直流电，用于给系统的工作提供电源支撑。

本发明采用飞利浦半导体公司生产的磁阻式角度传感器KMZ41，应用非接触的方式利用磁场对介质材料电阻的影响将角度信号转换为电信号进而得出角度值,避免了由接触面带来的损耗。使得人们可以简单方便的使用本发明进行角度的测量。其优点是：1、测量精度高，达到0.1度；2、角度值以数字式的形式直观显示在微型液晶上，并同时记录在测量仪内部的EEPROM存储器中（AT24C02）；3、使用操作简单，用户只需按下两次按键即可获得被测对象的角度值，还可以通过按键上下翻动，查找和回放之前测得的角度值。4、体积小、成本低、使用寿命长。

附图说明

图1为本发明高精度数字式角度测量仪的结构框图；

图2为本发明高精度数字式角度测量仪的程序流程图；

图3为本发明高精度数字式角度测量仪的电路连接图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明高精度数字式角度测量仪的结构框图。如图1所示，本实施例技术方案中的高精度数字式角度测量仪包括：按键1，用于配合确定夹角的起始边和终止边，当用户将标定杆对准夹角起始边时按下一次按键，当用户将标定杆对准夹角终止边时再按下一次按键，此时就得到了该夹角的角度值，另外还可以通过按键上下翻动，查找和回放之前测得的角度值；系统电源2，用于给测量仪提供纯净稳定的直流5V电压；微处理器3，测量仪的主控芯片，型号为AT89S52单片机，用于执行程序、处理数据、协调各芯片配合动作，最后获得角度数据；磁阻式角度传感器7，型号为KMZ41，它将角度信号转化为电信号，再经过UZZ9001 4对其做信号调理，最终向微处理器3输出角度值；信号调理器4，型号为UZZ9001，与KMZ41连接，输出电压与被测角度信号成正比，能够将磁阻式传感器KMZ41输出的两个有相位差的正弦信号转换成数字信号输出，测量的角度范围是0~180°；EEPROM存储器5，型号为AT24C02，容量为2Kbit，用于存储测得的角度值；液晶显示6，型号为12864，用于显示测得的角度值信息。

图2为本发明高精度数字式角度测量仪的程序流程图。如图2所示，角度测量系统上电初始化201，包括微处理器及外围芯片的初始化，按下功能键奇数次则进入角度测量模式203，此时将定位杆置于被测对象夹角的起始边并第一次按下确定键206，接着将定位杆置于被测对象夹角的终止边并第二次按下确定键207，这样就得到了当前测得的夹角的角度值并在液晶屏上显示，同时自动存储在EEPROM中208。按下功能键偶数次时则进入角度回放模式204，此时如果按下后退键，则依次在液晶屏上向前回放之前所测的角度值，如果按下前进键，则依次在液晶屏上向后回放之前所测的角度值。

KM Z41的工作原理：当外界无磁场时, KM Z41内部的导磁合金磁场矢量M平行于电流方向，α= 0。当外加一个外部磁场H，其平行于导磁合金平面同时垂直于电流方向,此时导磁合金的磁场矢量M就会逆时针旋转一个α角度。最后导致导磁合金的电阻R随着旋转角度α发生变化。这种变化的计算公式如下：

R = R0 +ΔR0 cos2α式(1)，其中, R0和ΔR0是物质常数。

上述电阻R由KMZ41内部的惠更斯桥电路测得，由式(1)可推知单组桥电路的输出+Vo与-Vo之差与Sin2α成正比。由于两组桥电路相差45°，因此，两组输出信号分别正比于Sin2α和Cos2α。此外，由于温度对输出振幅也有影响，所以KMZ41的两组输出信号可以表示为如下：

X (α, T) = X0 ( T) sin2α，Y (α, T) = Y0 ( T) cos2α 式 (2)

由于两组桥电路具有非常相似的特性, 可以假设为理想状态X0 ( T) = Y0 ( T) ,则所测得角度信号α可以表示为:

α=0.5arctan(x/y) 式 (3)

UZZ9001的工作原理：UZZ9001是专为KMZ41设计的信号调理芯片，能将两路相位相差90°的正弦波信号，即式(3)中的α值转换为一路信号，并将其以SP I模式串行输出至单片机做进一步处理。同时它提供传感器校准模式,补偿传感器输出的偏移量，提高精度。本发明采用2个10K精密可调电阻（R1和R2），通过调节电阻值，校准角度，见说明书附图3。具体校准方法为：将定位杆置于垂直于地面的位置，此时分别调节电阻R1和R2，直到显示角度值为0即可。

Claims

1.高精度数字式角度测量仪，其特征在于，包括：

用于控制高精度数字式角度测量仪的各芯片、元器件协同工作的微处理器AT89S52单片机；

用于测量角度的磁阻式角度传感器KMZ41；

用于处理KMZ41输出角度信息的信号调理器UZZ9001；

用于存储角度信息的EEPROM存储器AT24C02；

用于确定夹角位置并获得角度值的按键一共3个；

用于显示所测角度信息的12864型液晶显示屏；

用于给角度测量系统供电的电源电路；

所述微处理器用于控制高精度数字式角度测量仪的各芯片、元器件协同工作，型号为AT89S52单片机；

所述角度传感器型号为KMZ41，其管脚和信号调理器UZZ9001连接，具体连接方式为：KMZ41的3、4管脚为电源端，接+5V（，7、8脚为GND端，接地；KMZ41的 1、2、5、6管脚分别顺次和UZZ9001的24、23、1、2管脚相连接；因为KMZ41电路和UZZ9001电路需分开工作，所以各自分别引出了1个插线口P1和P6，最后两者通过6针排线互连；

所述信号调理器UZZ9001，其管脚和KMZ41、微处理器AT89S52相连；

UZZ9001的其他管脚连接方式为：UZZ9001的4、5、6、7、9、10、18、19、20管脚接地，17、21管脚接+5V，15、16管脚各接1个10K的精密可调电阻，并将其跨接于+5V和地之间，调节这2个可调电阻的大小，即可校准角度的输出值，3、8、11、22管脚悬空，12、13、14管脚共同组成UZZ9001的SPI串行通信接口，与AT89S52单片机做数据交互，分别顺次接至单片机的P2.1、P2.2、P2.3口；

所述EEPROM存储器型号为AT24C02，存储容量为2Kbit， AT24C02的第5（SDA）、第6（SDL）管脚组成了一个IIC通信接口，与AT89S52单片机做数据交互，分别顺次接至AT89S52单片机的P1.0、P1.1口，并分别通过一个10K电阻做上拉处理，AT24C02的1（A0）、2（A1）、3（A2）、4（GND）、7（WP）接地，8（VCC）接+5V；

所述微型液晶显示屏，用于显示所测的角度值，型号为12864，带字库，可显示四行共32个汉字或64个英文字符，该液晶显示屏的引脚连接为：1、20管脚接地，2、15、19管脚接地，3管脚接一个10K的可调电阻，并跨接于+5V和地之间，调节该可调电阻的大小即可调整液晶屏的对比度，7、8、9、10、11、12、13、14为液晶屏的数据端口，分别与AT89S52单片机的P0.0-P0.7相连，4、5、6为液晶屏的读写控制端，分别接至AT89S52单片机的P2.5、P2.6、P2.7口；

所述3个按键，1个为功能键，1个为前进键，1个为后退键，用于让用户向前或向后查看过去所测得的角度值，这3个按键的一端接地，另一端分别依次接至AT89S52单片机的P3.4、P3.5、P3.6口，当有按键被按下时，单片机的这3个端口将出现低电平信号，说明有按键被按下；

所述电源电路的电压来自于三节1.5V的干电池，该电压经过10uf电解电容接地滤波处理，即变成纯净稳定接近+5V的直流电，用于给系统的工作提供电源支撑。