基于单片机的便携角度测量仪

单片机

基于单片机的便携角度测量仪

刘军胜左谨平高菁（中国地质大学数理学院）

摘要：文章基于５５５定时器与自己制作的可变电容组成多谐振荡器，将角度变化量转变成频率变化量，从而构成了角度传感器。利用单片机对角度传感器输出的频率信号进行测量，然后通过显示部分将角度变化量显示出来，从而实现了角度的智能测量。通过实验数据曲线对比可以得出，该测量仪具有智能化程度高、测量方便、数据可靠等优点，可以广泛地应用到工业和实验设备中。

关键词：角度传感器，智能测量，单片机中图分类号：ＴＰ２１２．９

Ａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｈａｔｉｓｂａｓｅｄ

ＬｉｕＪｕｎｓｈｅｎｇ

ＺｕｏＪｉｎｐｉｎｇ

ＧａｏＪｉｎｇｏｆ

ｏｆｆ

ＭＣＵ

（ＧｒａｄｕａｔｅＣｏｌｌｅｇｅ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｕｓｅａｐｉｅｃｅｏｆＮＥ５５５ＰＩＣａｎｄａｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ，ｗｈｏｓｅｖａｌｕｅｃａｎｂｅｃｈａｎｇｅｄａｔａｎｙｍｏｍｅｎｔ，ｔｏｆｏｒｍ８ｎａｎｇｌｅ—ｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｃａｎｔｒａｎｓｌａｔｅａｎｇｌｅｖａｒｉｅｔｉｅｓｔｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅｎ，ｗｅｕｓｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）ｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｓｏｕｔｐｕｔｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒａｎｄ

ａ删（Ｍｉｃｒｏ

ｄｉｓｐｌａｙｔｈｅｆｉｎａｌａｎｇｌｅｖａｌｕｅｂｙａＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）．Ｓｏｗｅｇｅｔａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇａ１）ｐａｒａｔｕｓ．Ａｎｄａｌｏｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｉｔｉｓａｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ，ｒｅｌｉａｂｔｅａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅ．ＩｔＣａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙａｎｄｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ＭＣＵ

‘

０．引言

器Ｃ放电所需的时间为：

（１—１）

当Ｃ放电结束时，Ｔ截止，Ｖｃｃ将通过Ｒ１、Ｒ２向电容器Ｃ充电，Ｖｃ由１／３Ｖｃｃ上升至１１２／３Ｖｃｃ所需的时间为：

（１—２）ｆ朋＝俾ｌ＋尺２）ｃｌｎ２≈０．７僻ｌ＋Ｒ２／）Ｃ

当Ｖｃ上升］！Ｕ２／３Ｖｃｃ时，触发器又发生翻转，如此周而复始，如图１—２，在输出端就得到一个周期性的方波，输出电压幅值为２．７Ｖ，其频率为：

ｔｐＬ＝Ｒ２Ｃｌｎ２≈Ｏ．７Ｒ２Ｃ

在工程或实验中，经常用对长度、质量、温度、角度等物理量进行测量，前三种物理

的测量仪器都发展的很成熟，智能化程度也很高，而测量角度的仪器只是在实验室和精密机械加工中比较多，并且一般都很笨重、庞大，不便于携带。本文应用５５５定时器将角度信号转化为单片机可测的频率信号，进而将结果显示到液晶屏上，实现了角度测量的智能化。该仪器具有成本低廉，体积小，功耗低，便于携带等优点，在实验室和工业设计中有很好的应用价值。

１．角度传感器的原理

利用５５５定时器构成多谐振荡器，如图１一ｌ。其工作原理：接通电源后，电容Ｃ被充电，Ｖｃ上升，当Ｖｃ上升到２／３Ｖｃｃ时，触发器被复位，同时放电ＢＪＷＴ导通，此时Ｖｏ

！。！：垒三

。ｔ忍＋ｆ册一俾ｌ＋２Ｒ２／｝Ｃ

，：

１

（１－－３）（１－－４）

故，周期ｒ２÷＝ｏ．７俾ｌ＋２Ｒ２，）ｃ

Ｊ

由于５５５内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小…。改变图１—１中可变电容的容值，则电压输出引脚上的波形周期会相应地发生变化，由式（１—４）可知，它们是成线性关系的［２】。若将可变电容做成是对角度敏感的器件，则构成了角度传感器。

２．可变电容器的原理

为了简化可变电容器的原理，这里以最简单的两层极板的可变电容器为例进行说明。

平行板电容器的电容计算公式为：ｃ亏鼍笋（１－－５）

圈ｌ一１

５５５多谐振荡器

图１—２工作波形

低电平，电容Ｃ通过Ｒ２和Ｔ放电，使Ｖｃ下降。当ＶＣ下降至Ｕ１／３ＶＣＣ时，触发器又被置位，Ｖｏ翻转为高电平。电容

其中Ｅｏ为空气的介电常数，晶为两极板间介质的相对介电常数，Ｓ为有效极板面积，ｄ为极板间距。这里Ｅｏ、ａ均为常数，如果保持ｄ不变，则电容器的电容Ｃ与有效极板

万方数据　

单片机

面积Ｓ成正比关系。由公式（１－－３）（１－－４）可以看出，待测频率ｆ与电容Ｃ成反比例关系，而频率的倒数周期Ｔ却与电容Ｃ成正比关系。为了得到较好的线性度，同时也便于测量，我们选择周期作为待测量。

为了实现电容值与角度之间的联系，将平行板电容器的上下极板做成圆形的极板，极板的基底由介电系数较大的材质构成，每个极板又分为等大小的四个扇形，其中相互对称的两个扇形区域附着有金属片，另外一对扇形则没有，同极板的铜片相连通。如图１—３。固定其中的一个极板，旋转另一个，两极板之间的有效面积随之发生变化，电容器的容值随之发生改变。于是就形成了一个容值随角度变化的电容器Ｌ３Ｊ。

４．单片机测量系统

利用单片机来测量频率信号量其优点是智能化水平高，可以完全实现自动测量，但是其测量精度和测量范围有限。角度传感器电压输出幅值为２．７Ｖ，对于ＣＯＭＳ电平来说，高于２Ｖ就是高电平，小于０．４Ｖ就是低电平，所以角度传感器的电压输出引脚可以直接接到单片机的引脚上［４｜。

霎

———０

－－－－ｏ－－－－－－－

垂

单片机

－－－Ａ‘—１一

１

一

蓦

１霉１２－－１硬件结构设汁

１＝簪Ｉｌ一３ｕＪ变电容

将此可变电容器替换图ｌ一１中５５５多谐振荡器中的可变电容ｃ，从而将角度变化量转换为随之改变的电压信号量，测量该电压的频率就可以计算出对应的角度变化量。

扇形的面积计算公式为：

．

由于机械震动、电磁干扰等因素，会影响到测量结果，故应多次测量取平均值。显示部分可以选择小的液晶屏或者七段数码管。七段数码管相对十液晶屏来说价格便宜，但显示内容单调；而液晶屏可以显示一些说明文字，但是价格相对较贵，此处选择液晶屏Ｌ５Ｊ。

５．数据测量及处理

表ｌ为实验测量数据，其中角度的最小单位为（。），周期的最小单位为（ｕｓ），以周期为自变量，每变化１ ＵＳ，记录角度对应值。

瑚期（璐）角度（。）周期 （噼）角度（。）

４６

４５

４４

４３

４２

４１１５３１４５２１

４０

ｓ。２等ｐ

（卜６）

其中０为扇形对应的圆心角，单位为弧度，ｒ为扇形的半径，单位为米。由于上下极板只有两对扇形铺铜，设相互重叠的角度为口（如图ｌ一３），当ｏ＜ａ＜等时，电容

３９

２ｌ

３８３７２７２７５７１７８７

Ｏ３６

３０

３３５

３３

６３４

３６２４

９３３

３９２３

１２３２

４２２２

１８３０

４８

２４２８

５４

器的有效极板面积为ｓ＝２．要．口；当雩＜口＜万时，有效极板

２９

５１１９

面积为Ｓ＝２ 每 忉一口）。可以看到Ｓ随陧周期性变化，故电

容器的角度变化只能在ｏ～鲁范围之内。

将有效极板面积ｓ代入（１－５）式中，得

＿Ｉ封期 ㈣

角度（。）

２６６０

２５６３

２０７８

１８８４

…．Ｃ，３—ｇ—ｏｇ—ｌｒｒ２．一ｔ夤ｘ。

厶

（卜７）

若角度的变化量为缸，则电容Ｃ的变化量为……．

ｄ

ｄ

ｃ：鱼学

６６６９７２７５８ｌ

一一周期（ｕ

ｏ）

图２－－２周期与角度对应关系曲线

‘。。

将式（１—７）代入式（１—４）中得周期与角度的关系为：

、

。、＾＇、

Ｔ＝０．７（Ｒｌ＋２Ｒ２） 三等口（１—８）

万弘Ｏ．７僻．＋２Ｒ，）．塑兰Ｌ．夙

（１—９）

、．。

、、Ｉ。

。、～、．

’’，

对应于角度变化量融，周期的变化量为：

其中Ｒ－，Ｒ：，ｇｏ，易，，．，ｄ均为常数，故卯与融成线性

关系。

将上述双层极电容器的极板数进行偶数倍扩大，其中奇数层极板固定在极板中间的转轴上，偶数层的极板固定在外壳上，旋转中间的转轴，奇数层极板随之转动，电容器的容值同样会随之发生变化，这样可以得到一个容值更大的可变电容器。由式（１—４）知，可变电容器的容值ｃ越大，周期Ｔ就越大，频率也就越低，这样可以降低单片机的测量要求，提高分辨率。另外一种提高分辨率的方法是牺牲角度测量范围，将电容器的上

。

角度（。）

∞

∞

ｌ∞

８Ｃ＝要．旦学或８Ｃ＝２ 卫学。

万方数据　

下极板等分成６个或８个扇形，每隔一个扇形进行表面铺铜。这样当其中一个极板转动角度口，电容的变化量为

由数据拟合曲线得出斜率为ｋ一 一０．３３，由于软件将单片机周期测量精度调整为ｌ ｕ Ｓ，得出周期每变化１ ｕ Ｓ，角度变化３度。本文采用双层极板电容，得到的电容值较小，若换成多层极板，并采用精密机械加工，可获得电容值更大的电容，进而使得测量的精度和灵敏度更高。

６．小结

文章将单片机应用到角度测量仪中，使得角度的测量更加智能化，通过理论计算和实验数据显示出，该测量方法简单、可靠，并且测量仪体积小，灵敏度高，便于携带，具有很好的实际应用价值。

单片机

参考文献

［１］康华光邹寿彬，《电子技术基础》数字部分（第

四版）高等教育出版社，２００１．１，Ｐ３７５’Ｐ３７６［２］［日］松井邦彦著，梁瑞林译，《传感器实用

电路设计与制作》科学出版社，２００５．４［３］秦玉伟黄钊洪，《传感器世界》，基于ＣＡＶ４２４

的无接触式电容角度传感器，２００６年１０期［４］李广弟朱月秀王秀山，《单片机基础》，

北京航空航天大学出版社，２００１．７［５］张俊谟，《单片机中级教程》，北京航空航天

大学出版社，２００２．８作者简介：

刘军胜（１９８３一），男，山西大同人，中国地质大学（武汉）数理学院硕士生，研究方向为嵌入式系统与智能仪器。

嵌入式Ｌｉｎｕｘ混合文件系统的设计与分析

王若关胜晓刁智华（中国科学技术大学自动化系）

摘要：嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统必须达到性能和空间的优化。文章对嵌入式Ｌｉｎｕｘ进行了耗时分析，根据系统对根文件目录操作中耗时问题设计了嵌入式Ｌｉｎｕｘ混合文件系统，并与常见单一文件系统在启动速度和程序运行速度上对其进行了仿真测试。数据证明混合型文件系统不仅占用空间较小，并且能提高系统的性能。

关键词：嵌入式Ｌｉｎｕｘ，文件系统，混合中图分类号：ＴＮ３９

ＡＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｙｂｒｉｄｒｏｏｔＦｉｌｅ—Ｓｙｓｔｅｍｏｆ

ＥｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎＵＸ

ＧｕａｎＳｈｅｎｇｘｉａｏＤｉａｏＺｈｉｈｕａＷａｎｇＲｕｏ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ

ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

ｂａｌａｎｃｅｄ

ｍｅｍｏｒｙ

■

Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

Ｌｉｎｕｘ

ｔｏ

ａｎｄ

ｇｅｔ

Ｓｉｚｅ

ａ

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ｒｏｏｔｆｉｌｅ——ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＭＴＤｄｅｖｉｃｅｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｄＣＲＡ肝ＳａｎｄＪＦＦＳ２，ｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｂｏｏｔｔｉｍｅｏｆＬｉｎｕｘ

ａｎｄ

ａｎｄ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

Ｓｉｚｅ

ｉＳ

ｗｉｔｈ

ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ

ｓｍａｌｌ

ｒｏｏｔｆｉｌｅ——ｓｉｎｇｌｅ

ａｎｄｔｈｅｂｏｏｔｔｉｍｅ

ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．Ｉｔｃｏｕｌｄｂｅｈｅｌｐｆｕｌ

ｒｏｏｔＦｉｌｅ—Ｓｙｓｔｅｍ．

ｉｎｔｈｅ

ｆｉｅｌｄｏｆＬｉｎｕｘ

Ｋｅｙｗｏｒｄ：ＥｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘ．ＲｏｏｔＦｉｌｅ－－Ｓｙｓｔｅｍ。Ｈｙｂｒｉｄ

１．简介

嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统已经广泛应用到了生活的方方面面，但随着内核的不断改进和功能程序的日益增多，膨胀的系统使得嵌入式设备的运行速度和程序的存储空间都出现了严重的问题。各种嵌入式产品都在系统本身和应用方面进行优化，从而达到性能和空间占用的平衡，使得嵌入式Ｌｉｎｕｘ在现有资源得到充分的利用，达到占用空间小，启动速度快的目的。本文提出了一种混合型文件系统的设计，并对挂载启动和实际程序运行速率进行了测量和仿真，取得了良好的效果。

２．嵌入式Ｌｉｎｕｘ的耗时分析

由于嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统可采用多种微处理器架构，并根据不同任务定制，故很难取得一个通用的数据，实验采用基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的三星ｓ３ｃ２４１０微处理器。该平台集成了３２Ｍ的ＮＯＲＦｌａｓｈ和６４Ｍ的ＳＤＲＡＭ，内建ＩＯＭ以太网接口和两个串口。嵌入式平台的ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ采用ｕ—ｂｏｏｔ１．１．１。Ｌｉｎｕｘ系统内核版本为ａｒｍ—ｌｉｎｕｘ－２．４．１８，根文件系统为以ｂｕｓｙｂｏｘ一１．００，ｔｉｎｙｌｏｇｉｎ一１．４制作的Ｉｎｉｔｒｄ

Ｒａｍｄｊｓｋ。

万方数据　

单片机

基于单片机的便携角度测量仪

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

刘军胜， 左谨平， 高菁， Liu Junsheng， Zuo Jinping， Gao Jing中国地质大学,数理学院电子技术

ELECTRONIC TECHNOLOGY2008，45(4)2次

参考文献(5条)

1.康华光.邹寿彬 《电子技术基础》 数字部分 20012.松井邦彦.梁瑞林 传感器实用电路设计与制作 2005

3.秦玉伟.黄钊洪 基于CAV424的无接触式电容角度传感器[期刊论文]-传感器世界 2006(10)4.李广弟.朱月秀.王秀山 单片机基础 20015.张俊谟 单片机中级教程 2002

相似文献(1条)

1.学位论文 曹湧 明渠流量测量系统的研究与开发 2002

该文所描述的明渠流量测量系统是用于对属于明渠流动范畴的城市和工矿企业的污水排放进行流量计量的.该流量测量系统采用卡发基水槽作为一次敏感器件实现了流量/水位的信号转换,并通过浮子-杠杆测量机构和磁阻式角度传感器对水位信号进行拾取并转化为电压信号输出.以单片机应用系统为核心的智能测量仪表负责对传感器的电压输出信号进行采集和处理,计算和显示出被测水流的瞬时流量和累积流量,并可根据所设定的单价实现水费的自动计价.该文对槽式流量测量的基本原理、卡发基槽和浮杆测量机构的设计、角度传感器的信号转换以及流量计算公式的推导做了全面的阐述;详细介绍了智能仪表应用系统的硬件电路设计和应用软件的开发及仿真调试;最后对测量系统的各项误差进行了分析和计算.

引证文献(2条)

1.唐金元.王翠珍 基于旋转变压器数字转换器模块的角度信号测量仪[期刊论文]-计测技术 2009(3)2.唐金元.王翠珍 角度信号测量仪的设计与实现[期刊论文]-国外电子测量技术 2009(3)

本文链接：/Periodical_dzjs200804008.aspx

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