高精度數(shù)字式角度測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種高精度數(shù)字式角度測量儀，包括：用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作的微處理器（AT89S52單片機(jī)）；磁阻式角度傳感器KMZ41；信號調(diào)理器UZZ9001；存儲器，應(yīng)用非接觸的方式利用磁場對介質(zhì)材料電阻的影響將角度信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)而得出角度值,避免了由接觸面帶來的損耗。使得人們可以簡單方便的使用本發(fā)明進(jìn)行角度的測量。其優(yōu)點(diǎn)是：1、測量精度高，使用操作簡單，用戶只需按下兩次按鍵即可獲得被測對象的角度值，并且體積小、成本低、使用壽命長。
【專利說明】高精度數(shù)字式角度測量儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于檢測與自動化裝置領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種通過簡單按鍵操作即可獲得所測對象角度值的電子測量儀器，測量精度高達(dá)0.1度，所測角度值直接以數(shù)字量的形式顯示在微型液晶屏上，采用減法計(jì)算夾角值，無需調(diào)零。

【背景技術(shù)】
[0002]人們在從事教育教學(xué)或者工程實(shí)踐中，經(jīng)常會遇到測量角度的問題。最傳統(tǒng)的做法是拿三角板等器具手工測量，這種做法有明顯的缺陷:1、由于是通過人眼讀取刻度值，因此精度不高，只能應(yīng)用于粗測的場合；2、測得的角度值無法直觀顯示出來，需要人眼讀取刻度值獲取并同時(shí)手工做好記錄。如今也有采用增量編碼器、同步機(jī)等技術(shù)研制角度測量儀的，但這種技術(shù)存在接觸面、觸點(diǎn)易磨損等缺點(diǎn)，必須定期進(jìn)行更換，在實(shí)際應(yīng)用中降低了設(shè)備的可靠性，增加了維修成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于提供一種高精度數(shù)字式角度測量儀，適用于角度測量場合。
[0004]本發(fā)明技術(shù)方案為:高精度數(shù)字式角度測量儀，其特征在于，包括:
用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作的微處理器(AT89S52單片機(jī));
用于測量角度的磁阻式角度傳感器KMZ41 ；
用于處理KMZ41輸出角度信息的信號調(diào)理器UZZ9001 ；
用于存儲角度信息的EEPROM存儲器(AT24C02)；
用于確定夾角位置并獲得角度值的按鍵(一共3個(gè))；
用于顯示所測角度信息的12864型液晶顯示屏；
用于給角度測量系統(tǒng)供電的電源電路。
[0005]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀的微處理器用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、兀器件協(xié)同工作，型號為AT89S52單片機(jī)。
[0006]所述角度傳感器型號為KMZ41，其管腳和信號調(diào)理器UZZ9001連接，具體連接方式為:KMZ41的3、4管腳為電源端，接+5V (正5伏，下同)，7、8腳為GND端，接地；KMZ41的1、2、5、6管腳分別順次和UZZ9001的24、23、1、2管腳相連接;因?yàn)镵MZ41電路和UZZ9001電路需分開工作，所以各自分別引出了 I個(gè)插線口 Pl和P6，最后兩者通過6針排線互連，以上連接方式可以參看說明書附圖3。
[0007]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀包含一個(gè)信號調(diào)理器UZZ9001，其管腳和KMZ41、微處理器AT89S52相連，其中與KMZ41的連接方式已在上述第3點(diǎn)詳細(xì)敘述了，此處不再贅述。UZZ9001的其他管腳連接方式為:UZZ9001的4、5、6、7、9、10、18、19、20管腳接地，17、21管腳接+5V，15、16管腳各接I個(gè)1K的精密可調(diào)電阻，并將其跨接于+5V和地之間，調(diào)節(jié)這2個(gè)可調(diào)電阻的大小，即可校準(zhǔn)角度的輸出值，3、8、11、22管腳懸空，12、13、14管腳共同組成UZZ9001的SPI串行通信接口，與AT89S52單片機(jī)做數(shù)據(jù)交互，分別順次接至單片機(jī)的P2.1、P2.2、P2.3 口，以上連接可以參看說明書附圖3。
[0008]所述EEPROM存儲器型號為AT24C02，存儲容量為2Kbit，具有掉電不丟失的特點(diǎn)，用于存儲用戶通過按鍵操作測得的角度信息，AT24C02的第5 (SDA)、第6 (SDL)管腳組成了一個(gè)IIC通信接口，與AT89S52單片機(jī)做數(shù)據(jù)交互，分別順次接至AT89S52單片機(jī)的Pl.0、Pl.1 口，并分別通過一個(gè) 1K 電阻做上拉處理，AT24C02 的 I (A0),2 (Al),3 (A2)、4 (GND)、7 (WP)接地，8 (VCC)接+5V，具體連接方式見說明書附圖3。
[0009]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀包含I個(gè)微型液晶顯示屏，用于顯示所測的角度值，型號為12864，帶字庫，可顯示四行共32個(gè)漢字或64個(gè)英文字符，該液晶顯示屏的引腳連接為:1、20管腳接地，2、15、19管腳接地，3管腳接一個(gè)1K的可調(diào)電阻，并跨接于+5V和地之間，調(diào)節(jié)該可調(diào)電阻的大小即可調(diào)整液晶屏的對比度，7、8、9、10、11、12、13、14為液晶屏的數(shù)據(jù)端口，分別與AT89S52單片機(jī)的P0.0-P0.7相連，4、5、6為液晶屏的讀寫控制端，分別接至AT89S52單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7 口，以上連接可以參看說明書附圖3。
[0010]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀包含3個(gè)按鍵，I個(gè)為功能鍵，I個(gè)為前進(jìn)鍵，I個(gè)為后退鍵，用于讓用戶向前或向后查看過去所測得的角度值，這3個(gè)按鍵的一端接地，另一端分別依次接至AT89S52單片機(jī)的P3.4、P3.5、P3.6 口，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)的這3個(gè)端口將出現(xiàn)低電平信號，說明有按鍵被按下，以上連接可以參看說明書附圖3。
[0011]所述的高精度數(shù)字式角度測量儀的電源電路的電壓來自于三節(jié)1.5V的干電池，該電壓經(jīng)過1uf電解電容接地濾波處理，即變成純凈穩(wěn)定接近+5V的直流電，用于給系統(tǒng)的工作提供電源支撐。
[0012]本發(fā)明采用飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的磁阻式角度傳感器KMZ41，應(yīng)用非接觸的方式利用磁場對介質(zhì)材料電阻的影響將角度信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)而得出角度值，避免了由接觸面帶來的損耗。使得人們可以簡單方便的使用本發(fā)明進(jìn)行角度的測量。其優(yōu)點(diǎn)是:1、測量精度高，達(dá)到0.1度；2、角度值以數(shù)字式的形式直觀顯示在微型液晶上，并同時(shí)記錄在測量儀內(nèi)部的EEPROM存儲器中(AT24C02);3、使用操作簡單，用戶只需按下兩次按鍵即可獲得被測對象的角度值，還可以通過按鍵上下翻動，查找和回放之前測得的角度值。4、體積小、成本低、使用壽命長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的程序流程圖；
圖3為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的電路連接圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014]下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0015]圖1為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，本實(shí)施例技術(shù)方案中的高精度數(shù)字式角度測量儀包括:按鍵1，用于配合確定夾角的起始邊和終止邊，當(dāng)用戶將標(biāo)定桿對準(zhǔn)夾角起始邊時(shí)按下一次按鍵，當(dāng)用戶將標(biāo)定桿對準(zhǔn)夾角終止邊時(shí)再按下一次按鍵，此時(shí)就得到了該夾角的角度值，另外還可以通過按鍵上下翻動，查找和回放之前測得的角度值；系統(tǒng)電源2，用于給測量儀提供純凈穩(wěn)定的直流5V電壓；微處理器3，測量儀的主控芯片，型號為AT89S52單片機(jī)，用于執(zhí)行程序、處理數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)各芯片配合動作，最后獲得角度數(shù)據(jù)；磁阻式角度傳感器7，型號為KMZ41，它將角度信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過UZZ9001 4對其做信號調(diào)理，最終向微處理器3輸出角度值；信號調(diào)理器4，型號為UZZ9001，與KMZ41連接，輸出電壓與被測角度信號成正比，能夠?qū)⒋抛枋絺鞲衅鱇MZ41輸出的兩個(gè)有相位差的正弦信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，測量的角度范圍是(Tl80° ;EEPROM存儲器5，型號為AT24C02，容量為2Kbit，用于存儲測得的角度值；液晶顯示6，型號為12864，用于顯示測得的角度值信息。
[0016]圖2為本發(fā)明高精度數(shù)字式角度測量儀的程序流程圖。如圖2所示，角度測量系統(tǒng)上電初始化201，包括微處理器及外圍芯片的初始化，按下功能鍵奇數(shù)次則進(jìn)入角度測量模式203，此時(shí)將定位桿置于被測對象夾角的起始邊并第一次按下確定鍵206，接著將定位桿置于被測對象夾角的終止邊并第二次按下確定鍵207，這樣就得到了當(dāng)前測得的夾角的角度值并在液晶屏上顯示，同時(shí)自動存儲在EEPROM中208。按下功能鍵偶數(shù)次時(shí)則進(jìn)入角度回放模式204，此時(shí)如果按下后退鍵，則依次在液晶屏上向前回放之前所測的角度值，如果按下前進(jìn)鍵，則依次在液晶屏上向后回放之前所測的角度值。
[0017]KM Z41的工作原理:當(dāng)外界無磁場時(shí)，KM Z41內(nèi)部的導(dǎo)磁合金磁場矢量M平行于電流方向，α= O。當(dāng)外加一個(gè)外部磁場H，其平行于導(dǎo)磁合金平面同時(shí)垂直于電流方向，此時(shí)導(dǎo)磁合金的磁場矢量M就會逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)α角度。最后導(dǎo)致導(dǎo)磁合金的電阻R隨著旋轉(zhuǎn)角度α發(fā)生變化。這種變化的計(jì)算公式如下:
R 二 RO +_ cos2a式(1)，其中，RO和ARO是物質(zhì)常數(shù)。
[0018]上述電阻R由KMZ41內(nèi)部的惠更斯橋電路測得，由式(I)可推知單組橋電路的輸出+Vo與-Vo之差與Sin2 a成正比。由于兩組橋電路相差45°，因此，兩組輸出信號分別正比于Sin2 a和Cos2 a。此外，由于溫度對輸出振幅也有影響，所以KMZ41的兩組輸出信號可以表示為如下:
X (a，T) = XO ( T) sin2 a，Y (a，T) = YO ( T) cos2 α 式⑵
由于兩組橋電路具有非常相似的特性，可以假設(shè)為理想狀態(tài)XO ( T) = YO ( T)，則所測得角度信號a可以表示為:a =0.5arctan (x/y)式(3)
UZZ9001的工作原理:UZZ9001是專為KMZ41設(shè)計(jì)的信號調(diào)理芯片，能將兩路相位相差90°的正弦波信號，即式(3)中的α值轉(zhuǎn)換為一路信號，并將其以SP I模式串行輸出至單片機(jī)做進(jìn)一步處理。同時(shí)它提供傳感器校準(zhǔn)模式，補(bǔ)償傳感器輸出的偏移量，提高精度。本發(fā)明采用2個(gè)1K精密可調(diào)電阻(Rl和R2)，通過調(diào)節(jié)電阻值，校準(zhǔn)角度，見說明書附圖3。具體校準(zhǔn)方法為:將定位桿置于垂直于地面的位置，此時(shí)分別調(diào)節(jié)電阻Rl和R2，直到顯示角度值為O即可。
【權(quán)利要求】
1.高精度數(shù)字式角度測量儀，其特征在于，包括: 用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作的微處理器AT89S52單片機(jī)； 用于測量角度的磁阻式角度傳感器KMZ41 ； 用于處理KMZ41輸出角度信息的信號調(diào)理器UZZ9001 ； 用于存儲角度信息的EEPROM存儲器AT24⑶2 ； 用于確定夾角位置并獲得角度值的按鍵一共3個(gè)； 用于顯示所測角度信息的12864型液晶顯示屏； 用于給角度測量系統(tǒng)供電的電源電路； 所述微處理器用于控制高精度數(shù)字式角度測量儀的各芯片、元器件協(xié)同工作，型號為AT89S52單片機(jī)； 所述角度傳感器型號為KMZ41，其管腳和信號調(diào)理器UZZ9001連接，具體連接方式為:KMZ41的3、4管腳為電源端，接+5V (，7、8腳為GND端，接地；KMZ41的1、2、5、6管腳分別順次和UZZ9001的24、23、1、2管腳相連接；因?yàn)镵MZ41電路和UZZ9001電路需分開工作，所以各自分別引出了 I個(gè)插線口 Pl和P6，最后兩者通過6針排線互連； 所述信號調(diào)理器UZZ9001，其管腳和KMZ41、微處理器AT89S52相連； UZZ9001的其他管腳連接方式為:UZZ9001的4、5、6、7、9、10、18、19、20管腳接地，17、21管腳接+5V，15、16管腳各接I個(gè)1K的精密可調(diào)電阻，并將其跨接于+5V和地之間，調(diào)節(jié)這2個(gè)可調(diào)電阻的大小，即可校準(zhǔn)角度的輸出值，3、8、11、22管腳懸空，12、13、14管腳共同組成UZZ9001的SPI串行通信接口，與AT89S52單片機(jī)做數(shù)據(jù)交互，分別順次接至單片機(jī)的P2.1、Ρ2.2、Ρ2.3 Π ； 所述EEPROM存儲器型號為AT24C02，存儲容量為2Kbit，AT24C02的第5 (SDA)、第6(SDL)管腳組成了一個(gè)IIC通信接口，與AT89S52單片機(jī)做數(shù)據(jù)交互，分別順次接至AT89S52單片機(jī)的P1.0、P1.1 口，并分別通過一個(gè)1K電阻做上拉處理，AT24C02的I (A0)、2 (Al)、3 (A2)、4 (GND)、7 (WP)接地，8 (VCC)接+5V ; 所述微型液晶顯示屏，用于顯示所測的角度值，型號為12864，帶字庫，可顯示四行共32個(gè)漢字或64個(gè)英文字符，該液晶顯示屏的引腳連接為:1、20管腳接地，2、15、19管腳接地，3管腳接一個(gè)1K的可調(diào)電阻，并跨接于+5V和地之間，調(diào)節(jié)該可調(diào)電阻的大小即可調(diào)整液晶屏的對比度，7、8、9、10、11、12、13、14為液晶屏的數(shù)據(jù)端口，分別與AT89S52單片機(jī)的P0.0-P0.7相連，4、5、6為液晶屏的讀寫控制端，分別接至AT89S52單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7 Π ； 所述3個(gè)按鍵,I個(gè)為功能鍵,I個(gè)為前進(jìn)鍵，I個(gè)為后退鍵，用于讓用戶向前或向后查看過去所測得的角度值，這3個(gè)按鍵的一端接地，另一端分別依次接至AT89S52單片機(jī)的P3.4、P3.5、P3.6 口，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)的這3個(gè)端口將出現(xiàn)低電平信號，說明有按鍵被按下； 所述電源電路的電壓來自于三節(jié)1.5V的干電池，該電壓經(jīng)過1uf電解電容接地濾波處理，即變成純凈穩(wěn)定接近+5V的直流電，用于給系統(tǒng)的工作提供電源支撐。
【文檔編號】G01B7/30GK104359394SQ201410152307
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】徐錦鋼, 楊克, 沈緐, 孫俊杰, 平莉 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院