高精度数显测角仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度数显测角仪，包括信息采集模块、单片机控制模块和输入输出终端；信息采集模块包括红外激光笔、水平折叠尺、带有磁钢片的码盘及霍尔传感器，霍尔传感器与单片机控制模块相连接，将通过霍尔效应产生的低电平脉冲信号传输给单片机控制模块；单片机控制模块对信号进行角度计算和处理，该单片机控制模块还与输入输出终端相连接。本发明可以随意调节水平折叠尺的活动位置，在规定的测量角度范围内，实时显示出所需要测量的角度，对于需要记录的角度，可以利用水平折叠尺上的固定旋钮对其进行固定，再进行记录，以保证准确性；对于不方便接触的需要测量角度的物体，可以利用红外激光笔进行定点测量，满足了使用的多样性及非接触性。
【专利说明】
高精度数显测角仪
技术领域
[0001]本发明涉及一种测量装置，具体是一种高精度数显测角仪。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，信息的获取变得十分重要，角度则是其中很重要的一种信息，因此就需要一种简单、便携、性价比高的测角仪来解决使用不便和精度差的问题。
[0003]文献《基于单片机的智能测角仪设计》(李尚富，饶连周.三明学院学报，2013，30
[4]:39~42)介绍了一种基于31'(:120546032单片机的智能测角仪。该装置主要是由微控制器、数据信息采集模块、信息输出及存储模块3个部分组成。其不足在于:1)STC12C5A60S2单片机系统的主频为12MHz，处理速度慢，可准确测量的角度范围小；2)采用加速度传感器MMA7455模块来测量角度，由于是通过计算得到角度值，在外部设备有抖动的状态下误差较大;3)测量角度范围小，为O?90° ;4)需要接触物体，对于无法接触的物体，难以测量所需要的角度;5)采用双列直插封装芯片，电路板尺寸大。
[0004]总之，现有技术中的测角仪不能满足现实中对角度测量的简单性、便携性、准确性、非接触性的需求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高精度数显测角仪，可以很好的满足角度测量的简单性、方便性、准确性、非接触性的需求。
[0006]实现本发明目的的技术解决方案为:一种高精度数显测角仪，包括信息采集模块、单片机控制模块和输入输出终端，所述信息采集模块包括红外激光笔、水平折叠尺、带有磁钢片的码盘及霍尔传感器;红外激光笔固定在水平折叠尺两侧边缘角上；带有磁钢片的码盘则是磁钢片均匀固定在码盘边缘上，码盘的中心与水平折叠尺的转轴中心重叠，位于水平折叠尺的上方或下方，与水平折叠尺之间有空隙，码盘可以随着水平折叠尺的转动从而进行同步转动;霍尔传感器处于带有磁钢片的码盘所在的水平面，且靠近码盘边缘，该霍尔传感器与单片机控制模块相连接，将通过霍尔效应产生的低电平脉冲信号传输给单片机控制模块;单片机控制模块将信号进行角度计算和处理，该单片机控制模块还与输入输出终端相连接。
[0007]本发明与现有技术相比，其显著优点:1)单片机STM32F407VET6系统的时钟频率为168MHz，处理速度快，每个时钟周期为5.95ns，因此基于单片机STM32F407VET6系统的测角仪，可准确测量的角度范围大幅增加;2)采用霍尔传感器对角度进行测量，属于直接计算得到角度，误差小，准确性高;3)测量角度范围大，为0~180°;4)单片机芯片及外围元件均采用贴片芯片，使得整体电路尺寸大幅减小，便于携带。5)采用简单的设计，使用方便，转动水平折叠尺进行角度测量，利用水平折叠尺上的固定旋钮对需要进行记录的角度位置进行固定，再记录，使角度值更加准确。6)对于不方便接触的需要测量角度的物体，可以利用红外激光笔进行定点测量，满足了使用的多样性及非接触性。
【附图说明】
[0008]图1为本发明测角仪的系统总体设计图。
[0009]图2为本发明霍尔传感器与输入输出终端图。
[0010]图3为本发明单片机控制系统电源图。
[0011]图4为主程序流程图。
[0012]图5为记录按键中断服务程序流程图。
[0013]图6为清零按键中断服务程序流程图。
[0014]图7为角度计算中断服务程序流程图。
[0015]图8为带有磁钢片的码盘和霍尔传感器的位置关系图；图中标号所代表的含义为:1_磁钢片，2_霍尔传感器。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0017]本发明高精度数显测角仪可以随意调节水平折叠尺的活动位置，在规定的测量角度范围内，实时显示出所需要测量的角度，对于需要记录的角度，可以利用水平折叠尺上的固定旋钮对其进行固定，再进行记录，以保证准确性;对于不方便接触的需要测量角度的物体，可以利用红外激光笔进行定点测量，满足了使用的多样性及非接触性。
[0018]结合图1、图8，本发明高精度数显测角仪，包括信息采集模块和控制盒，所述信息采集模块包括红外激光笔、水平折叠尺、带有磁钢片I的码盘及霍尔传感器2，可以在保证水平尺的水准泡位于中间时，转动水平尺的另一边至所需要测量的角度位置，获得所需的信息，所述控制盒包括单片机控制模块和输入输出模块，用于控制测角仪的启动、关闭，显示角度，记录角度，清零角度;红外激光笔固定在水平折叠尺两侧边缘角上；带有磁钢片的码盘则是磁钢片均匀固定在码盘边缘上，码盘的中心与水平折叠尺的转轴中心重叠，位于水平折叠尺的上方或下方，与水平折叠尺之间有空隙，码盘可以随着水平折叠尺的转动从而进行同步转动;霍尔传感器处于带有磁钢片的码盘所在的水平面，且靠近码盘边缘，该霍尔传感器与单片机控制模块相连接，将通过霍尔效应产生的低电平脉冲信号传输给单片机控制模块;单片机控制模块将信号进行角度计算和处理，该单片机控制模块还与输入输出终端相连接。
[0019]系统以单片机控制电路为核心，首先通过输入输出终端上的按键启动测角仪，此时角度为0，之后便可以开始测量角度，角度值在输入输出终端的显示区实时显示。单片机控制电路给出使能控制信号，从而对采集到的信息进行处理，从而显示出来。由于霍尔效应，每个磁钢片经过霍尔传感器时，霍尔传感器产生一个低电平脉冲信号触发单片机外部中断，由角度计算中断服务程序计算出角度值，该角度值在输入输出终端的显示区实时显示。在测角过程中可按照需求进行记录、清零、停止等操作。单片机控制电路通过数据传输将显示信息发送到输入输出终端，输入输出终端通过按键将信息返回到单片机控制电路；单片机控制电路给出使能控制信号到输入输出终端;霍尔传感器给出低电平脉冲信号到单片机控制电路。
[0020]为了实现对角度的测量，需要霍尔传感器和带有磁钢片的码盘。码盘上均匀分布着磁钢片，磁钢片的个数可根据测量角度的范围计算得到。带有磁钢片的码盘固定在水平调节尺的转轴上，手动转动水平尺可带动码盘同步旋转。当磁钢片运动到霍尔传感器的相对位置时(见图8)，由于霍尔效应，霍尔传感器产生一个低电平脉冲信号触发单片机外部中断，由角度计算中断服务程序计算出角度值。
[0021]霍尔传感器的输出信号Sign_0ut经过第一四芯插头Jl的2脚接入控制电路板，该信号由第一电阻Rl限流、稳压管Dl限伏后，接到芯片STM32F407VET6U1的外部中断口 ΡΕ0。当传感器返回低电平的脉冲信号时，触发外部中断INTl，由角度计算中断服务程序计算出角度值，角度值在输入输出终端的显示区显示。
[0022]结合图2，所述单片机控制模块包括芯片STM32F407VET6U1、第一四芯插头J1、第一电阻Rl和稳压管D1，第一四芯插头Jl的I脚接地，2脚接入霍尔传感器输出信号Sign_0ut，该引脚还通过第一电阻Rl与芯片STM32F407VET6U1的97脚PEO及稳压管Dl的一端相连，稳压管Dl的另一端接地，第一电阻R1、稳压管Dl对信号Sign_0ut限流、限伏，第一四芯插头Jl的3脚悬空，4脚接+5V;
所述输入输出终端包括液晶1602J2、第四电阻R4、第五电阻R5、三个开关S1~S3，所述液晶1602J2的I脚VSS接地，2脚VDD接5V电压，3脚VO与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端接地，液晶1602J2的4脚RS接芯片STM32F407VET6U1的98脚PEl，5脚RW接芯片STM32F407VET6U1 的 I脚PE2，6脚EN接芯片STM32F407VET6U1 的 2脚PE3，7脚DO接芯片STM32F407VET6U1 的 3 脚PE4，8 脚Dl 接芯片 STM32F407VET6U1 的 4 脚PE5，9 脚D2 接芯片STM32F407VET6U1 的5脚PE6，10脚D3接芯片STM32F407VET6U1 的38脚PE7，11脚D4接芯片STM32F407VET6U1 的 39 脚 PE8，12 脚 D5 接芯片 STM32F407VET6U1 的 40 脚 PE9，13 脚 D6 接芯片STM32F407VET6U1 的41 脚PE10，14脚D7接芯片STM32F407VET6U1 的42脚PEll，15脚BLA与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与5V电压相连，16脚BLK接地；
第一开关SI的一端接芯片STM32F407VET6U1的43脚PE12，第一开关SI的另一端接地，第二开关S2的一端接芯片STM32F407VET6U1的44脚PE13，第二开关S2的另一端接地，第三开关S3的一端接芯片STM32F407VET6U1的45脚PE14，第三开关S3的另一端接地。
[0023]结合图3，单片机控制模块还包括电源模块，该电源模块包括芯片TPS5450U2、芯片八1^1117-3.31]3、第二电阻1?2、第三电阻1?、第一电感1^、九个电容(:149、发光二极管02，所述芯片TPS5450U2的I脚BOOT与第一电容Cl一端相连，第一电容Cl的另一端与芯片TPS5450U2的8脚相连，芯片TPS5450U2的2脚NC、3脚NC，4脚VSENSE与第二电阻R2—端及第三电阻R3的一端相连，第二电阻R2的另一端与输出5V电压相连，第三电阻R3的另一端接地，芯片TPS5450U2的5脚ENA悬空，确保芯片使能，芯片TPS5450U2的6脚GND接地，7脚VIN接第二电容C2、第四电容C4的一端后与输入电压VIN(5.5?36V)相连，第二电容C2、第四电容C4的另一端接地，对输入电压VIN起到滤波作用，芯片TPS5450U2的8脚PH与第一电感LI的一端相连，第一电感LI的另一端接第三电容C3、第五电容C5的一端后与输出5V电压相连，第三电容C3、第五电容C5的另一端接地，对5V起到滤波作用；
芯片AMSl 117-3.3U3的I脚GND接地，2脚、4脚OUT输出3.3V电压并与第七电容C7、第九电容C9的一端相连，第七电容C7、第九电容C9的另一端接地，对3.3V起到滤波作用，AMS1117-3.3U3的3脚IN接第六电容C6、第八电容C8的一端后与输入电压5V相连，第六电容C6、第八电容C8的另一端接地，对5V起到滤波作用。
[0024]主程序流程图如图4所示。系统上电初始化结束后进入主控制循环。在主控制循环中等待的按键中断有:记录按键中断、清零按键中断，若产生上述串口按键中断则调用相应的按键中断服务程序。在主控制循环中等待的外部中断是由霍尔传感器产生的低电平所触发的，若产生该中断则调用角度计算中断服务程序进行角度计算。
[0025]记录按键中断服务程序流程图如图5所示。该中断服务程序判断状态，若不在记录状态则完成记录操作，保持角度显示值不变，否则释放记录值，使角度显示值再次实时显不O
[0026]清零按键中断服务程序流程图如图6所示。该中断服务程序完成清零操作，使角度显示值为O。
[0027]角度计算中断服务程序流程图如图7所示。该中断服务程序计算角度值，并更新角度显示值。
[0028]本发明可以根据水平调节尺的活动位置，在规定的测量角度范围内，显示出所需要测量的角度。
[0029]下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。
[0030]实施例:
一、信息采集模块由水平调节尺、带有磁钢片的码盘、霍尔传感器组成，可以在保证水平尺的水准泡位于中间时，转动水平尺的另一边至所需要测量的角度位置，获得所需的信息;
二、控制盒由单片机控制模块和输入输出模块组成，用于控制测角仪的启动、关闭，显不角度，记录角度，清零角度。
[0031 ]测角仪具体技术指标如下:
I.信息采集模块与控制盒集成一体，均在水平尺的内部；
2.水泡精度:0.0005in/in(0.5 mm/m)；
3.显示角度(最大):180°，测角仪精度:0.01°;
4.结构设计要求:显示和按键操作在正面，电池盒在背面。
[0032]水平尺的正面为输入输出终端，输入输出终端可分为两个区域:一个区域为按键区，另一个区域为显示区。水平尺的背面为电池盒。
[0033]a )按键区
按键区共有3个按键，其名称及功能如下:
启动/关闭:启动测角仪，关闭测角仪。
[0034]记录:用来记录或释放需要保持的角度值。
[0035]清零:用来对角度值清零。
[0036]b )显示区
显示区实时显示角度值。
[0037]c )电池盒
水平尺背面为电池盒，装上电池后对测角仪进行供电。
【主权项】
1.一种高精度数显测角仪，其特征在于:包括信息采集模块、单片机控制模块和输入输出终端;信息采集模块包括红外激光笔、水平折叠尺、带有磁钢片的码盘及霍尔传感器;红外激光笔固定在水平折叠尺两侧边缘角上;磁钢片均匀固定在码盘边缘上，码盘的中心与水平折叠尺的转轴中心重叠，位于水平折叠尺的上方或下方，与水平折叠尺之间有空隙，码盘可以随着水平折叠尺的转动从而进行同步转动;霍尔传感器处于带有磁钢片的码盘所在的水平面，且靠近码盘边缘，该霍尔传感器与单片机控制模块相连接，将通过霍尔效应产生的低电平脉冲信号传输给单片机控制模块;单片机控制模块对接收的信号进行角度计算和处理，该单片机控制模块还与输入输出终端相连接。2.根据权利要求1所述的高精度数显测角仪，其特征在于:所述单片机控制模块包括芯片STM32F407VET6[U1]、第一四芯插头[J1]、第一电阻[R1]和稳压管[D1]，第一四芯插头[J1]的I脚接地，2脚接入霍尔传感器输出信号Sign_Out，该引脚还通过第一电阻[R1]与芯片STM32F407VET6[U1]的97脚PEO及稳压管[D1]的一端相连，稳压管[D1]的另一端接地，第一电阻[R1]、稳压管[D1]对信号Sign_Out限流、限伏，第一四芯插头[J1]的3脚悬空，4脚接+5V。3.根据权利要求1或2所述的高精度数显测角仪，其特征在于:所述单片机控制模块还包括电源模块，该电源模块包括芯片TPS5450[U2]、芯片六1^1117-3.3[1]3]、第二电阻[1?2]、第三电阻[R3]、第一电感[LI]、九个电容C1~C9、发光二极管[D2]，芯片TPS5450[U2]的I脚BOOT与第一电容[Cl] 一端相连，第一电容[Cl]的另一端与芯片TPS5450[U2]的8脚相连，芯片TPS5450[U2]的2脚NC、3脚NC，4脚VSENSE与第二电阻[R2] —端及第三电阻[R3]的一端相连，第二电阻[R2]的另一端与输出5V电压相连，第三电阻[R3]的另一端接地，芯片TPS5450[U2]的5脚ENA悬空，确保芯片使能，芯片TPS5450[U2]的6脚GND接地，7脚VIN接第二电容[C2]、第四电容[C4]的一端后与输入电压VIN(5.5?36V)相连，第二电容[C2]、第四电容[C4]的另一端接地，对输入电压VIN起到滤波作用，芯片TPS5450[U2]的8脚PH与第一电感[LI]的一端相连，第一电感[LI]的另一端接第三电容[C3]、第五电容[C5]的一端后与输出5V电压相连，第三电容[C3]、第五电容[C5]的另一端接地，对5V起到滤波作用； 芯片AMS1117-3.3 [ U3 ]的I脚GND接地，2脚、4脚OUT输出3.3V电压并与第七电容[C7]、第九电容[C9]的一端相连，第七电容[C7 ]、第九电容[C9]的另一端接地，对3.3V起到滤波作用，六1^1117-3.3[1]3]的3脚1财妾第六电容[06]、第八电容[08]的一端后与输入电压5￥相连，第六电容[C6]、第八电容[C8]的另一端接地，对5V起到滤波作用。4.根据权利要求1或2所述的高精度数显测角仪，其特征在于:所述输入输出终端为按键和液晶屏。
【文档编号】G01B5/24GK105973127SQ201610343236
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】王雷, 方天宇, 王津言, 肖雷, 钟静连
【申请人】南京理工大学