苏华开题报告

基于单片机的角度测量仪 开题报告

机电学院电信0902 苏华

目录

1绪论.........................................................................

2系统的方案论证与框图.........................................

3系统的硬件原理........................................................

3.1光电编码器的原理............................................. 3.2单片机的原理及选用.......................................... 3.3单片机的外围电路的设计........................................ 3.4单片机与外围器件的数据通信....................................

4系统的软件原理...........................................................

4.1软件的系统框图..............................................

4.2软件的主函数程序...............................................

5总结...................................................................................

6参考文献............................................................................

绪论

角度测量是计量科学的重要组成部分。随着生产和科学的不断发展,角度测量越来越广泛地应用于机械、光学、航空、航天、航海等各个领域,技术水平和测量准确度也在不断提高。国内外许多部门和研究机构柑继研制出多种测角仪器,以满足经济、国防和科学研究等各部门的需要。由于采用先进的科学技术成果和现代化的技术设备,使测量准确度不断提高,测量范围不断扩大。近年来,特别是随着计算技术的蓬勃发展,使得角度测量技术得以实现全自动化。在今天这个科学技术日益发达社会里，智能仪表的生产和使用越来越普遍，尤其在工业控制、机器人、国防等领域有着广泛的应用。而角度控制技术在科技在科研生产实践中占有重要的地位，提高角度检测、角度控制的精度，对提高生产效率、降低成本、节约资源有重要的意义。

摘要：在今天这个科学技术日益发达社会里，智能仪表的生产和使用越来越普遍，

尤其在工业控制、机器人、国防等领域有着广泛的应用。而角度控制技术在科技在科研生产实践中占有重要的地位，提高角度检测、角度控制的精度，对提高生产效率、降低成本、节约资源有重要的意义。近年来，角度测量装置迅速发展，它吸引着人们在生活和生产中大量的使用，而这些角度测量装置绝大多数都是采用单片机作为控制单元。叙述了国内外近年来角度测量技术最新发展动态和光电编码器的工作原理。分析了基于AT89S51 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。

关键字：角度，光电编码器，单片机，显示屏

2系统的方案论证与框图

方案一：以多齿分度盘为代表的机械式圆分度器件,具有工艺好、工作可靠、结构

简单、使用寿命长、对环境要求低等优点,是一种基于机械分度定位原理的圆分度技

术。虽然它单个齿盘的分度误差很大,但当两个齿数相同、模数相同的齿盘啮合后,由于产生“平均效应”,使分度准确度大大提高。而且,由于差动技术的采用,两不同齿数的两件以上的齿盘啮合后,可获得很小的分度间隔。我国在弹性多齿分度台的研制以及生产方面已达到了很高的水平,分度不确定度达0.1‘,一0.5’‘,定位重复性达0.02’‘,最小分度间隔分别为z。,30‘,15‘,10‘。但精确度不够高。

方案二：角度测量仪利用光电编码器读取角度值，采用AT89S51 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，都是机械方法无法比拟的,故选用光电编码器测角.

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。

3系统的硬件原理

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的转换精度和系统在非常温环境下的工作可靠性。

3.1增量式编码器的基本原理

增量式编码器的工作原理如图所示。它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主码盘平行，并刻有 a、b 两组透明检测窄缝，它们彼此错开 1/4 节距，以使 A、B 两个光电变换器的输出信号在相位上相差 90°。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上

的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器 A、B 的输出电压相位差为 90°。光电编码器的光源最常用的是自身有聚光效果的发光二极管。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，形成忽明忽暗的光信号。光敏元件把此光信号转换成电脉冲信号，通过信号处理电路后，向数控系统输出脉冲信号，也可由数码管直接显示位移量。光电编码器的测量准确度与码盘圆周上的狭缝条纹数 n

有关，能分辨的角度 α 为 360°/n，分辨率为 1/n 。例如：码盘边缘的透光槽数为 1024 个，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352°。为了判断码盘旋转的方向，必须在光栏板上设置两个狭缝，其距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍（m 为正整数），并设置了两组对应的光敏元件，如图 1 中的 A、B 光敏元件，有时也称为 cos 元件 、sin 元件。当检测对象旋转时，同轴或关联安装的光电编码器便会输出 A、B 两路相位相差 90°的数字脉冲信号。光电编码器的输出波形如

图 3所示。为了得到码盘转动的绝对位置，还须设置一个基准点码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”，见图 3 中的 C0脉冲。图 4给出了编码器正反转时 A、B 信号的波形及其时序关系，当编码器正转时 A 信号的相位超前 B 信号 90°，如图 4(a)所示；反转时则 B信号相位超前 A 信号90°，如图 4(b)所示。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。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/速率就是所谓的脉冲辨向和计数。脉冲的辨向和计数既可用软件实现也可用硬件实现。

3. 2 单片机的原理及选用

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ATMEL 公司生产的AT89S51 芯片（MCS - 51 系列单片机的工业级产品） , 兼容MCS51 微控制器，4 K 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. 0 V 到5. 5 V ,全静态时钟0 Hz 到33 MHz ,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UART ,低功耗支持Idle 和Power down 模式，Powerdown 模式支持中断唤醒，双数据指针，上电复位标志。ATMEL 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ATMEL 公司的AT89S51 - 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.

3. 3 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。

3. 4 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\"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。

4 软件设计原理

4.1软件系统框图

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。

4.2软件的主函数程序

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\"

GetAngle （） ; / / 读角度值的函数 MachView（） ; / / 指示灯匹配显示的函数

GetMil （） ; / / 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。 Getangle） 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GetMil（） 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。

总结

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

下一个问题是如何提高测量的精度。根据我们的实验方案，精度主要取决于所用精确参考电阻的误差大小；计时器timer2的分频选择：既要保证计时的最小时长，

又要考虑计时的最大时宽，确保不会溢出的同时，尽可能的提高最小计时精度；电位器电阻与角度的线性关系的良好程度，也会对测量的精度有一定影响。

参考文献

[1] 叶盛祥. 光电位移精密测量技术[M]. 成都: 四川科学技术出版社, 2003. [2] HEIDENHAIN. 技术资料[OL/EB]. www.heidenhain.com.cn [3] RENISHAW. 技术资料[OL/EB]. www.renishaw.com.cn

[4] 罗长洲, 陈良益, 孙岩, 等. 一种新型光学编码器[J] . 光学 精密工程, 2003 , 11 (1) :104-108.

[5] 罗世魁, 王国强, 王继新, 等. 伪随机码在绝对式光电轴角编码器中的应用 [J]. 光学 精密工程, 2003, 11(6): 596-601.

[6] 曹振夫. 小型绝对式矩阵编码器［J］. 光学机械， 1985(5)： 65-70.

[7] 刘长顺, 王显军, 韩旭东, 等. 八矩阵超小型绝对式光电编码器[J]. 光学 精密工程, 2010, 18(2): 326-333.