角度传感器简单应用系统Word格式文档下载.docx
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此时步进电机停止工作，数码管显示设置角度值。
关键词：
角度测量；
SCA60C角度传感器；
STC89C52单片机
Abstract
Anglemeasurementisanimportantpartofthetechnicalmeasurement,andmeasurementapplicationswiththedevelopmentofproductionandscienceandtechnology,productsandpartsmorewidelyandincreasinglyhighprecision.Particularlyinthemodernindustrialtechnology,theangleisoneoftheimportantgeometricalparametersinmachinery,instrumentation,andelectronicproductsmanufacturing,itsaccuracyhasadirectimpactonthequalityoftheproductlife,andthustheanglemeasurementinmodernindustryoccupiesanimportantstatus.Theanglesensorisusedtomeasuretheangleofrotationbetweenthefixedpartsandrotatingpartsarewidelyusedinthedynamicsystempointofviewtheprecisionmeasurementoftheazimuthorelevation,suchasinertialnavigation,machinecontrol,unmannedaerialvehicles,commandanalyzerandradarsystemsanglemeasurements.
Thisprojectistodesignananglesensorapplications,thesystemcancontrolthetiltangle,keepingitlevelanddisplaytiltanglevalue.AnglesensorapplicationsSTC89C52microcontroller,precisecontrolofspeedandangleofthestepper,thesteppermotoronthetabletcanswingtothepresetanglepulsesignalgeneratedbythemicrocontroller.Steppermotoroffsetanglesensorreal-timemonitoring.Anglevalueisdisplayedinrealtimethroughthedigitaldisplay.ThehardwarepartincludingSTC89C52smallestsingle-chipsystem,theULN2003themotordrivecircuit,SCA60Ctiltsensor,powersupplymodule,digitaltubedisplaymodule.Real-timeacquisitionsystemthroughtheanglesensoranglesignalusingSTC89C52SCM,ULN2003asmotordrivemodules,IOportoutputtimingpulsesignalasphase4wiresteppermotorcontrolsignalsandthendrive28BYJ-48steppermotor,sothatsteppermotorplateandrotatewiththeswingofthependulum.Thesystemcanalsosetthesteppermotorthroughthekeyboardinputsystemtoachievetheanglevalue.Digitaltubedisplaytosettheanglevalue.Reachesthesetvaluewhenthesteppingmotortostartthealarmdevice.Thesteppermotortostopworking,thedigitaldisplaytosettheanglevalue.
Keywords:
anglemeasurement;
theSCA60anglesensor;
STC89C52microcontroller
目录
第1章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1角度测量研究意义1
1.2角度测量研究现状3
1.3主要角度传感器介绍5
1.3.1电位器式角度传感器5
1.3.2光栅式角度传感器5
1.3.3磁感应同步器5
1.3.4霍尔角度传感器5
1.4主要研究内容6
第2章开发工具以及需求分析的介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.1C语言介绍7
2.2系统开发用到的工具9
2.2.1AltiumDesiger工具9
2.2.2Keil工具软件12
2.3需求分析14
2.3.1角度传感器14
2.3.2步进电机16
2.3.3单片机18
第3章系统硬件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
3.1系统总体设计框图22
3.2方案比较与论证22
3.2.1角度测量选择与论证23
3.2.2步进电机选择与论证24
3.2.3控制器选择与论证24
3.2.4电机驱动选择与论证24
3.2.5显示装置选择与论证25
3.3硬件设计电路25
3.3.1角度采样电路25
3.3.2步进电机驱动电路27
3.3.3主机控制部分28
3.3.4键盘及显示部分30
3.3.5串口部分32
第4章系统软件设计与实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
4.1系统主程序设计33
4.2系统模块设计34
4.2.1键盘及显示程序34
4.2.2步进电机驱动程序34
4.2.3角度采集35
4.2.4单片机控制程序35
结论37
致谢38
参考文献39
附录1英文参考文献及其译文41
附录2程序源代码56
附录3原理图61
第1章 绪论
1.1角度测量研究意义
我国是世界文明发达最早的国家之一，有着悠久的角度计量历史。
从现己出土的部分文物及史料记载，在公元前几百年的战国时期，我国就已经有了简单的角度量具—铜矩尺。
它与现代测量直角的直角尺形状相似，是我国目前发现的最早的角度量具。
随着生产的发展，角度测量技术也在不断地改进和提高。
特别是近十几年，随着角度感器的发展和微型计算机在这方面的应用，使角度测量技术上升到了一个新的高度，测量范围和精度都有了很大的提高。
如何进一步改进角度测量手段对提高加工精度和科学研究等方面都有十分重要的意义。
角度是一个十分重要的物理量。
在国际上明确规定弧度（平面角单位）和球面度（立体角单位）是国际单位制中除七个基本物理量以外仅有的两个辅助单位。
角度有四种表示形式，分别为弧度制、百进制、密位和六十分制。
角度侧量是计量科学的重要组成部分，特别是微小角度的测量在精密加工，航空航天，通讯和军事等许多领域都具有非常重要的作用和意义。
角度测量的重要工具是角度传感器。
角度传感器主要用来测量固定部件和转动部件之间的旋转角度。
随着自动控制水平的不断提高，作为自动控制系统的重要元件，角度传感器得到了迅速的发展，逐渐成为仪表测量、工业自动化、信号检测和航空航海等领域的一种重要传感器。
角度传感器应用范围广泛，已进入我们的生活的方方面面。
诸如惯性导航、机械控制、无人驾驶飞行器、指挥仪、雷达、导弹、各种火炮、航天飞机和卫星等，均需要对方位角或俯仰角等多种动态角度进行精密测试。
SSA00系列标准版倾角传感器配合液位传感器用于山体滑坡或雪崩监测，通过无线传感系统将数据传输到中央控制系统，实时监测山体状态，可以有效减小山体滑坡带来的损失。
大坝垮塌事故已经发生过，为了及时发出预警信号，减少财产损失，通过倾角传感器的监测、观测仪器和设备，以及时取得反映大坝和基岩性态变化以及环境对大坝作用的各种数据的观测和资料处理等工作。
其目的是分析估计大坝的安全程度，以便及时采取措施，设法保证大坝安全运行。
为了实现挖掘机的三维空间定位，在安装工作装置个关节角度传感器的基础上，又安装平台回转角度检测装置和平台倾角传感器，并在斗杆上安装激光接收仪用于检测地面激光发射器发射的水平机关相对于接收仪零位的高度。
建立挖掘机的运动学模式，推导车体相对于大地的坐标变换矩阵，即完成三维空间的车体定位，并得到常用简单的车体高程定位公式，实现挖掘机挖掘轨迹的三维空间定位为实现挖掘机的三维空间轨迹精确与挖掘机深度控制打下基础。
随着电子技术的发展和应用，汽车的安全性、舒适性和智能性越来越高。
汽车侧向倾斜角度传感器的应用是防止汽车在行驶中发生倾翻事过的一种有效方法。
是提高汽车安全性的重要措施，特别是越野车。
双层客车等重心较高的汽车更有必要性。
汽车倾翻的实质是：
行驶中向外的倾翻力矩大于向里的稳定力矩，当重心高度一定时，倾斜力矩油倾翻力（向外的侧向力）决定。
近年来机器人技术发展很快，欧美等工业发达国家早就开始对各种机器人进行系统的研究，随着科技的进步和时的推移，取得了大量的研究成果。
我们知道机器人上应用了大量的传感器，其中倾角传感器可以实时监测机器人的状态。
目前的轨道测量方式智能程度差,测量精度低,操作时间长,迫切需要设计一种适用于一般工务段使用的便携式智能化轨道检测仪倾角传感器用于轨检仪，用于实时检测铁道的倾斜度和高度差。
输电线铁塔的倒塌事件时有发生，一旦发生倒塌，将会造成巨大的损失，倾角传感器应用于输电线铁塔倾斜角度监测，可以实时监测输电线倾斜角度，一旦因为大风等自然灾害导致倾斜角度过大，实时发出预警信号，由工作人员维修减少损失。
倾角传感器在船载水平平台上应用，用于船载卫星跟踪天线的底座，以保持天线始终处于水平状态，对平台进行实时控制，可以隔离船体的俯仰和横滚运动，使平台处于水平。
太阳能是一种清节的能源，它的应用正在世纪范围内普遍的增长，利用太阳能发电就是一个使用太阳能的方式，因此为了得到充足的利用太阳能，如何选择太阳能电池方位角与倾斜角是一个重要的问题，利用倾角传感器调整角度，将太阳能的利用率进一步提高。
1.2角度测量研究现状
角度测量一般是通过传感器获取转角信号，经转换成电路参数量，再通过转换电路转换成电信号输出。
随着微处理器和集成芯片的发展，对输出信号的处理日趋完善，功能也日益强大，可直接显示、打印、记录、储存或供给控制系统，完成测量或控制的功能。
角度传感器的应用十分广泛，涉及众多的行业，如机械加工、航空航天、智能机器人等，在当今的工业技术中占有重要的一席之地。
在机械工业中，处处需要角度测量。
例如各种机床部件的水平和垂直位置的调整、生产中各零部件角度的检验、各种圆分度误差的检验以及切削刀具角度的检验等生产操作都离不开角度的测量。
一般来说，依靠圆分度的机械式角度测量装置精度较低，但在引入了多齿分度技术后，一般被认为精度不很高的机械式角度测量仪器也有了新的发展。
例如一种类似于齿轮端面离合器结构形式的多齿分度盘，己成为圆分度的重要器件。
它可使分度差误差本来较大的单个齿盘，通过两个相同齿盘的紧密啮合后的平均效应将分度精度大为提高，目前己能达到跃居高精度圆分度行列。
以多齿分度盘为圆分度器件的多齿分度台还具有结构简单、使用方便和对使用环境要求不高等许多优点。
而且通过不同啮合齿数的两对以上齿盘的差动或细分装置，可获得较小的分度间隔。
多齿分度技术的出现，为提高机械分度精度开辟了新的途径。
机械式的角度测量技术发展得相对比较成熟，近几年对角度测量技术的研究和应用大都在光电技术上寻找突破口。
特别是随着现代计算机技术的发展，诞生了多种多样的角度传感器。
通常按工作原理来分有电位式角度传感器、电阻应变式角度传感器、光栅式角度传感器、磁栅式角度传感器、感应同步器和码盘式角度传感器等。
各类角度传感器的主要性能汇总在表1-1，表中数据为近似值，鉴于同种原理有不同测量方法和数据处理方式，故得到的精度和分辨率并不一定相同。
以下介绍几种典型的角度传感器：
表1-1角度传感器的主要性能量程
原理
量程
精确度
线性度
分辨率
特点
光电电位器式
0°
～330°
0.2～3%
无附加力矩，分辨率较高，寿命长，响应快，线性度较差
电阻应变式
±
180°
0.5%
0.1～0.5%
0.05～0.1%
性能稳定可靠
激光式
45°
d=50cm时为0.1rad
精度高，常作为计量基准；
设备复杂，成本高
光栅式
360°
最高±
0.6"
0.01"
精度高，易数字化，能动态测量，既可用于整圆测量，也可用于非整圆测量，对环境要求较高
陀螺式
30°
～70°
漂移率2°
min～0.001°
∕h
2%
能测量动坐标转角，机械陀螺精度低，采用新型结构和原理（如激光）时精度高，结构复杂，工艺要求高
应变计式
1%F.S
测量范围大，性能稳定可靠，应用范围广，既可测角位移和角度，稍加改进还可以测量倾角
感应同步器
（0.5～1）"
0.1"
精度较高，易数字化，能动态测量，结构简单，对环境要求低，电路较复杂
码盘式
0.7"
分辨率高，精度高，易数字化，非接触式，寿命长，功耗小，可靠性高，电路较复杂
精度高，设备复杂，成本高
微动同步器
40°
1%
0.05%
2"
分辨率高，无接触，体积小，结构可靠，线性度好，测量范围小，电路较复杂
霍尔传感器
1°
0.1%
结构简单，精度较低，生产成本低
电容式
70°
25"
分辨率高，灵敏度高，结构简单，重量轻，体积小，不受电磁场干扰，也不产生干扰磁场，反力矩小，需用的电源功率小，本身电容量小，内阻抗高，分布参数影响较大，对外界干扰较敏感，需屏蔽
1.3主要角度传感器介绍
1.3.1电位器式角度传感器
电位器是一种常用的电子元件，在仪表与传感器中可作为传感元件，把输入的机械位移（角位移或线位移）转换成与之成一定函数关系的电阻或电压输出。
电位器式角度传感器的原理类似一个滑动变阻器，将导线紧密地缠绕在骨架上，导线上装有一电刷，当电刷位置改变时，电阻随之改变且阻值的变化与所转角度成一定函数关系。
非线绕式的原理与线绕式的一致，不同的是在骨架上喷导电层或用导电材料制成骨架。
骨架的形状可根据需要定制，用作测角传感器时一般做成圆弧形。
这类角度传感器市场上比较常见，精度一般不高，适合一般的测量场合。
例如上海智松传感科技有限公司生产的WDJ型号的角度传感器，其线性精度最高为0.1%。
1.3.2光栅式角度传感器
光栅式角度传感器是依据莫尔条纹现象进行测量的。
两块栅距相等的光栅夹角为0时，在单侧光源的照射下会产生莫尔条纹现象。
光通过两块光栅后光能量的分布是一个近似的正弦波[5J。
光栅相对移动一个周期时，莫尔条纹对应变化一个周期。
此时在光栅背面设置一个光栏，并用光电元件来接受透过两块光栅的光能量，则光电元件输出的电压信号将随着光栅的移动而变化，移动一个栅距变化一个周期。
可根据变化的周期来测量线位移或角位移。
光栅式角度传感器的精度主要取决于光栅的刻线密度，密度越大的精度越高，常用的是300一1500线/毫米。
受加工水平的影响，其密度不可能无限提高。
目前关于光纤光栅的研究比较热门，总的来说，近几年用光栅的干涉原理来测量线位移或角位移的研究比较多而且精度较高，如NPL测角仪的不确定度为0.05秒。
1.3.3磁感应同步器
感应同步器由两个平面绕组组成，一个是连续绕组，另一个是分段绕组，有偶数段，分成A、B两相，两者的分段绕组相互间隔。
这是一种多极感应元件，能对误差起补偿作用，精度较高。
连续绕组通上稳定的交流电，当两个面的绕组有相对转动时，分段绕组上会产生感应电流，每转动一个栅距电流变化一个周期。
A相与B相相差二，可以用鉴相或鉴幅方式确切反映一个空间周期内的任何角度变化。
1.3.4霍尔角度传感器
自1879年美国物理学家EdwinHethertHall发现霍尔效应以来，以此为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于现代工业控制的各个领域。
而由此衍生的霍尔传感器产业也在近十几年逐渐发展壮大起来，日益生机勃勃。
霍尔角度传感器是根据霍尔效应来设计的，测量原理如下：
当永磁体旋转时，霍尔元件可感应到磁场的磁向量并输出分别与位置角口正弦、余弦信号成比例的玲和称信号。
通过称除玲，则由敏感芯片自身灵敏度差异或磁场变化引起的误差被抵消，模拟输出电压代表的角度与磁体、温度和IC的增益敏感度无关。
即芯片输出电压成为敏感芯片所检测到的场强的一元函数，代表磁体在整个3600范围内的绝对机械位置。
目前基于霍尔效应角度传感器的研究测量精度不高，精度在0.50左右。
一般市场上常见的基于霍尔效应的角度传感器精度不是很高，例如美国MEAS传感器公司生产的Accustarll系列的倾角传感器精度为0.01。
1.4主要研究内容
本角度传感器应用系统采用STC89C52单片机，由单片机产生脉冲信号精确控制步进机的转速和角度，使步进电机上的平板能够摆动到预设角度。
角度传感器实时监测步进电机的偏移量。
通过数码管显示器实时显示角度值。
系统通过角度传感器实时采集角度信号，采用STC89C52单片机控制，ULN2003作为电机驱动模块，IO口输出具有时序的脉冲信号作为4相5线步进电机的控制信号，进而驱动28BYJ-48步进电机，使步进电机上的平板随着摆杆的摆动而旋转。
应用AD6设计工具完成原理图和PCB图绘制。
制作印刷电路板并焊接元器件。
利用Keil软件设计工具编写驱动程序。
进行系统测试与仿真。
采用角度传感器实时监测偏移量，应用步进电机改移角度。
从何实现摆杆偏移到预设角度值。
数码管显示达到偏移量位置。
第2章开发工具以及技术的介绍
2.1C语言介绍
C语言是国际上广泛流行的计算机高级语言，既可以用来编写系统软件，也可用来编写应用软件。
早期的操作系统软件主要是用汇编语言编写的。
由于汇编语言依赖于计算机硬件，程序的可读性和可移植性都比较差，所以为了提高系统软件的可读性和可移植性，最好改用高级语言。
但是，一般的高级语言难以实现汇编语言的某些功能（汇编语言可以直接对硬件操作，例如对内存地址的操作、位操作等）。
人们希望找到一种兼具一般高级语言和低级语言优点的语言，于是，C语言就在这种情况下应运而生了。
C语言是在B语言的基础上发展起来的，它的根源可以追溯到ALGOL60。
直到1975年UNIX第六版发布后，C语言的突出优点才引起人们的普遍主义。
随着UNIX的日益管饭使用，C语言也迅速得到推广。
C语言和UNIX可以说是一对孪生兄弟，再发展的过程中相辅相成。
1978年以后，C语言先后一直到大、中、小、微型计算机上，已经独立于UNIX和PDP了。
C语言便很快风靡全世界了，成为世界上应用最广泛的集中计算机语言之一。
一种语言之所以能存在和发展，并具有较强的生命力，总是有其不同于或优越于其他语言的特点。
C语言的主要特点如下：
（1）运算符丰富。
C语言的运算符包含的范围很广泛，共有34中运算符。
C语言吧括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理，从而使c语言的运算类型及其丰富，表达式类型多样化。
灵活使用各种运算符可以实现其他高级语言中难以实现的运算
（2）语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。
C语言一共有32个关键字、9中控制语句。
程序书写形式自由，主要用小写字母表示，压缩了一切不必要的成分。
C语言程序比其他旭东高级语言简练，原程序短，因此输入程序时工作量少。
（3）语法限制不太严格，程序设计自由度大。
例如，对数组下标越界不做检查，有程序编写者自己保证程序的正确。
对变量的类型使用比较灵活，例如，整型量与字符型数据以及逻辑数据可以通用。
一般高级语言的语法检查比较严格，能监察出几乎所
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