基于HT46R24單片機傾斜角度測量儀的設計

許昌職業(yè)技術學院 穆亞輝 王俊豪

基于HT46R24單片機傾斜角度測量儀的設計

許昌職業(yè)技術學院 穆亞輝 王俊豪

本設計利用單片機HT46R24控制和力學原理，將荷重元的輸出電壓轉換成角度，顯示在LCD板上，很快的測出平臺傾斜的角度。量測的角度范圍可以到達1800，以數(shù)字輸出的方式顯示，提高了角度測量精度，并縮短測量時間，還可以利用電子信號輸出來控制其他的自動化設備，以達到自動化調控的功能。

角度測量儀；荷重元；單片機

1.引言

許多自動化設備，例如像汽車、飛機、機械平臺等都需要測量設備本身傾斜的角度并將測量的結果回饋給控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)內部做出適當?shù)幕貞M而調整系統(tǒng)的傾斜度，因此高精度傾斜感測器是現(xiàn)代科技發(fā)展不可缺少的零件，尤其在建筑產業(yè)的應用是更為廣泛。我們應用力學原理設計高精度傾斜感測器，并使用8位元系列HT46R24單片機作微控制器，設計出了精度較高的傾斜感測器。

2.HT46R24單片機角度測量儀工作原理

荷重元是一種用來測量應力的感測元件。當一根導體材料兩端受到外力負荷，產生軸向長度稍微拉長，截面也稍微變細，導線電阻值計算公式為：

式中，R—電阻值；L—導線長度；A截面積；ρ—隨材料而異的電阻系數(shù)

圖1 運用應變規(guī)量測變形量

圖2 荷重元內包含應變規(guī)和電橋電路

量測出應變規(guī)導線電阻值的變化，便可計算其伸長量或應變，再進而計算出其應力或受力大小。利用此原理將導體做成如圖1所示的板狀，即形成應變規(guī)，將應變規(guī)貼在所要量測的試片上，由測量實驗過程中電阻值變化大小，即能了解材料表面變形情況。

荷重元內部通常包含應變規(guī)和一個用來放大應變規(guī)內電阻微小變化的電橋電路，如圖2所示。

圖中的惠斯登電橋是一個相當常見的信號放大電路，電橋上串連兩個應變規(guī)，一個應變規(guī)與所要測量外力方向相同，另一個“補償應變規(guī)”則與量測應變規(guī)相垂直，使所要測量外力不會對其產生變形。

圖3 將類比信號轉化為數(shù)字信號

圖4 程序流程圖

圖5 3D實物結構示意圖

圖6 線路示意圖

在選用荷重元時，須注意量測物體的最大負荷、輸出信號值、參考電源大小及反應時間等特性。一般來說，荷重元的信號極為微弱，且常為非電線性的輸出，需要經過信號放大器作放大與補正處理，才能得到量測力的精密度。

此外，輸出信號均為類比的微小信號，因此必須將信號放大才能作進一步的處理，同時在一般的應用場合中，往往還需要將信號回饋，傳送至單片機中進行運算，因此必須將類比式的信號轉換成數(shù)字信號，才能讓微電腦讀取，這個程序是由類比數(shù)字資料轉換元件ADC來完成，如圖3所示。圖中ADC將感測器輸出電壓的類比信號提取、量化之后，轉變成數(shù)字信號的過程。

3.本系統(tǒng)的軟件流程

在軟件方面，HT-IDE3000為系統(tǒng)提供友善的工作平臺。將所有的軟件工具，例如：編輯器、組譯器、連結器、函數(shù)庫管理員和符號除錯器，整合成為一視窗環(huán)境，使程序發(fā)展過程更為容易。HT-IDE3000軟件還提供軟件模擬器功能，無需接上HTICE模擬器，即可進行程序開發(fā)。此軟件模擬器可以利用單片機，以及所有HT-ICE模擬器之基本功能。利用以HT46R24單片機為核心的控制器主體搭配一個LCD的信號輸出模組與荷重元量測系統(tǒng)作為輸入單元，并規(guī)劃HT46R24單片機PA點輸出點，PB點輸入點。其中HT46R24 MCU Based控制器主體用來執(zhí)行邏輯、運算、計時、計數(shù)等功能，并透過數(shù)字輸出或類比輸入模組來進行角度測量動作，本設計程序流程圖，如圖4所示。

4.系統(tǒng)的硬件設計

荷重元實物結構，如圖5所示。

除了荷重元是鋼鐵材料之外，其他結構都由鋁材構成。其中的硬件線路，如圖6所示。

利用在量測儀中放置一鋼珠，當量測儀放置在傾斜面時，該鋼珠因滑動而碰觸到某側的荷重元，并隨著傾斜面角度的增加，該荷重元所量測到的側向力越大，進而反推算平臺傾斜的角度，透過單片機的應用，將該荷重元的輸出電壓轉換成角度，顯示在LCD面板上，達到即時得知平臺傾斜角度的效果。數(shù)字輸出的方式，更能提高角度測量精度及縮短測量時間，容易與其他自動化設備配合使用，利用電子信號輸出來控制其他的自動化設備，以達到自動化調控之功能。

5.結論

本設計應用范圍廣泛，在平臺上安裝兩個角度測量儀可以控制機構調整平臺的水平；應用在自走型機器人身上，讓機器人能夠下樓梯及特定角度移動變化；把角度測量儀安裝在汽車上，可以測量路面坡度，使汽車駕駛員了解路況，可以提前預測意外事故的發(fā)生；角度測量儀可以讓交通工具自動補正因地型所形成的傾斜角，使放置在車內的東西不易傾倒；可安裝于病床中讓病患能自動調整所需傾斜角，而不須再使用手搖方式調整病床的角度等。

[1]劉應中.流體力學[M].上海交通大學出版社,2002,12.

[2]張石.微控制器原理與實驗教程[M].東北大學出版社,2004,01.

[3]楊志杰.單片機原理與應用[M].中國人民大學出版社,2007,08.

[4]鄭家龍.集成電子技術基礎教程[M].高等教育出版社,2007,07.

[5]劉鑒民.太陽能利用原理.技術.工程[M].電子工業(yè)出版社,2010,07.

[6]李宜達.數(shù)位邏輯電路設計與模擬——使用AHDL/VHDL[J].全華科技,2010,06.

[7]陳慶逸.VHDL數(shù)位電路設計實務教本[M].儒林,2002.

[8]葉秉哲.C++程式語言經典本[M].儒林,2001.

[9]集成電路查詢網HT46R24單片機手冊[S].

[10]林麗君.單片機原理與應用[M].江西高校出版社,2008,02.

穆亞輝（1974—），女，河南許昌人，大學本科，講師，研究方向：自動控制。王俊豪（1974—），男，大學本科，河南許昌人，工程師，研究方向：自動控制。