一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统和方法与流程

本发明涉及属于物理、单片机应用技术领域，具体是一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统和方法。

背景技术：

可变电阻器通常用在需要经常调节阻值的电路中，起调整电压、调整电流或信号控制等作用，广泛的应用在各类电子产品中。

根据电阻定律r=ρl/s，即导体的电阻r和长度l成正比，和横截面积s成反比，此外还和材料有关，其中ρ电阻率。测一维直线长度原理是在电阻r上（如康铜丝）测量某一段l上的电压u，由欧姆定律r=u/i可知，当电流i一定时，r和u为正比线性关系，由线性电阻的特性可知电压u和直线长度l或旋转角度之间也为线性关系。

如图1、2，通过实验测量绘制电阻r的电压和位移关系的u-l/θ直线图并计算得到斜率k=tanα=δu/δl，则电阻r任意处的位移长度l或旋转角度θ和电压u之间的关系为：l=u/k或θ=360°l/2πr，其中r为环形电阻的半径。本发明利用上述原理，通过测量r上任意处的电压u，已知斜率k便可计算出对应的直线长度或旋转角度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统和方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统，包括：电压取样电路、a/d模数转换器、单片机、lcd显示器和恒压电源，所述恒压电源连接在线性可变电阻r的两端，所述电压取样电路一端连接线性可变电阻r的端头，另一端连接在线性可变电阻r上，电压取样电路与a/d模数转换器连接，a/d模数转换器和lcd显示器均与单片机连接。

作为本发明进一步的方案：所述恒压电源采用5v恒压源。

作为本发明进一步的方案：a/d模数转换器的分辨率为16位。

一种可变电阻测量位移长度或旋转角度的方法，包括以下步骤：

步骤01，读取样电压值offset，进行a/d模数转换和中位值滤波，采用线性直滑电位器进行电压取样测量，根据实验结果拟合u-l或u-θ直线图，得出直线斜率k；

步骤02，由公式l=(u-offset)/k，计算出位移长度，或根据公式θ=(u-offset)/k计算出旋转角度值；

步骤03，切换量程，通过校正来修正测量误差，具体为：设标准参考值为l0或θ0，误差修正值δl=l-l0或δθ=θ-θ0，通过对比测量n个校正点的方式得到测量值和标准参考值之间的校正曲线，最后利用校正曲线分段进行误差修正；

步骤04，决定是否将数据置零，若是，则保存offset值，并将测量的长度数值或角度数值显示在lcd显示器上，若不置零，则直接将测量的长度值或角度值显示在lcd显示器上；

步骤05，重复执行步骤01-04，获取多组数值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于线性可变电阻的任意段长度l和阻值r成正比的特点，利用可变电阻作为传感器来测量位移长度和旋转角度，结合a/d转换器和arduino开发平台来实现，可以广泛地运用于测量一维长度和旋转角度场合，结构简单、易维护、精度高、误差小；针对不同的长度测量需求，设置了四种不同的量程，其中最小分辨率可达0.001mm，由液晶显示屏显示测量结果，还可以通过usb接口与计算机通信，将测量的数据实时传输到计算机显示。

附图说明

图1为可变电阻的电压与位移关系的直线图。

图2为可变电阻的弧长与角度关系的直线图。

图3为一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统结构框图。

图4为一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统中恒压电源的电路图。

图5为一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统的电路原理图。

图6为实验拟合的u-l直线图。

图7为实验测量校正曲线图。

图8为一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，如图3，

一种可变电阻测量位移长度及旋转角度的系统，包括：电压取样电路1、a/d模数转换器2、单片机3、lcd显示器4和恒压电源，所述恒压电源连接在线性可变电阻r的两端，所述电压取样电路1一端连接线性可变电阻r的端头，另一端连接在电阻的某位置，电压取样电路1与a/d模数转换器2连接，a/d模数转换器2和lcd显示器4均与单片机3连接，a/d模数转换器2的分辨率为16位。

图4为恒压电源的电路图，该恒压电源的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从2.5v到36v范围内的任何值，该器件的典型动态阻抗为0.2ω。lm317是可调三端稳压集成电路，调节w1电位器，用tl431控制lm317第1脚电压，可实现输出5v的精密恒压电源；

图5为上述系统的电路原理图，其中

i区为arduino最小系统；

ii区为lcd12864液晶屏；

iii区为a/d模数转换器；

iv区为功能选择按键，其中key1：切换模式（测长度/角度）、key2：置零、key3：切换分辨率（对应led点亮）；

v区为切换两种长度不同的直滑电位器；

vi区为连接的线性电位器（测直线或旋转角度）

实施例二，如图6，

一种可变电阻测量长度的方法，包括以下步骤：

步骤01，读取样电压值offset，并进行a/d转换和中位值滤波；

对线性电阻位移长度进行电压取样测量，以间隔0.5mm的位移长度取样，采用电阻值10k的线性直滑电位器，根据实验结果拟合的u-l直线图如图7所示，所得的曲线为一条直线，与理论一致，由此得到电压与长度的关系式，其中r²是趋势线拟合程度的指标，当r²越接近1，趋势线拟合程度、可靠性也越高，为了与arduino开发平台ttl电平兼容，本发明的恒压电源u取5v电压，得到拟合的直线斜率为k=0.0522；

步骤02，由公式l=(u-offset)/k，其中，u为恒压电源的电压值；

步骤03，切换量程，通过校正来修正测量误差，具体为：设标准参考值为l0，误差修正值δl=l-l0，通过对比测量n个校正点的方式得到测量值和标准参考值之间的关系曲线，称为校正曲线，最后利用校正曲线分段进行误差修正；

图8示意了间隔为5mm的校正点的校正曲线图，由该校正曲线可以计算出准确等级：s=最大绝对误差/量程*100%=0.4/92*100%=0.43%；

步骤04，决定是否将数据置零，若是，则保存offset值，并将测量的长度数值显示在lcd显示器上，若不置零，则直接将测量的长度值显示在lcd显示器上；

步骤05，重复执行步骤01-04，获取多组数值。

实施例三，如图6

一种可变电阻测量旋转角度的方法，包括以下步骤：

步骤01，读取样电压值offset，进行a/d模数转换和中位值滤波，采用线性直滑电位器进行电压取样测量，根据实验结果拟合u-θ直线图，得出直线斜率k；

步骤02，由公式l=(u-offset)/k，其中，u为恒压电源的电压值；

步骤03，切换量程，通过校正来修正测量误差，具体为：设标准参考值为θ0，误差修正值δθ=θ-θ0，通过对比测量n个校正点的方式得到测量值和标准参考值之间的关系曲线，称为校正曲线，最后利用校正曲线分段进行误差修正；

步骤04，决定是否将数据置零，若是，则保存offset值，并将测量的角度数值显示在lcd显示器上，若不置零，则直接将测量的角度值显示在lcd显示器上；

步骤05，重复执行步骤01-04，获取多组数值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。