基于单片机的微小角度测量系统的研制

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摘要：角度测量是计量科学的重要组成部分，其在精密加工、航空航天、军事和通讯等领域都具有极其重要的意义和作用。光学测角法由于具有非接触测量、准确度和灵敏度高的特点而倍受人们的重视。该系统采用红外LED发射红外线，通过旋转反射镜改变红外线的反射角度，使红外接收器收到的红外线强度随之变化，进而引起电信号的变化。基于ICL7135模数转换芯片和51单片机进行数据采集，实时显示测量角度。实验结果表明该系统的测量相对误差小于1%。

关键词：角度；红外；模数转换；单片机

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）14-3406-04

1 概述

随着科学技术的不断发展，对角度的测量精度要求越来越高，传统的仪器仪表在精度和效率方面难以满足要求。因此，设计新型、高效、高精度的测量仪器具有很重要的意义[1]。

国内外小角度测量的主要方法有：机械测角方法、电磁测角方法、光学测角方法等。机械测角法是出现最早的测角技术，主要的代表仪器是多齿分度台，但其结构发杂，有回程差等缺点；电磁方法测量角度主要用于角度的进一步细分，通过增大分度以增大测量范围和提高测量精度。但其测量精度容易受到加工精度和工艺的限制；光学测量法具有非接触、高精度、高灵敏度的特点，目前国内外的光学测量方法一般可分为：光学分度头法、圆光栅法、自准直法、光学内反射法、激光干涉法、环形激光法等。其中大多数都可用于小角度的测量，并可达到很高的精度[2-4]。

针对微小角度的测量需求，基于单片机研制了一套微小角度测量系统，该系统以51单片机为控制核心，采用红外LED发射器产生红外光线，应用红外反射式传感器将微小的角度变化转变为电信号的变化，从而实现微小角度的测量。研制的微小角度测量系统对3度范围内的微小角度变化进行测量时相对误差小于1%，具有较好的测量精度，满足部分领域的工程测量需求。

2 角度测量系统的原理

微小角度测量系统的基本工作原理如图1所示，在旋转圆盘外一定位置分别固定红外发射管和红外接收管，圆盘上有一可绕圆心转动的反射镜，用以反射红外光[5-6]。红外发射管发射具有一定孔径范围的红外线，入射在旋转轴上的反射面，当转动旋转轴时，接收管接收到的光强大小将会产生与旋转角度相关的变化，接收器将其转变为电流的变化，通过信号处理电路进行放大倍数调整与零点调整后获得一定范围的直流电压值，从而完成非电量到电量的转化。

3 角度测量系统的设计

3.1 硬件设计

红外恒流供电与光电转换模块采用TCRT5000型红外反射传感器，工作电流60mA。由于红外发射管的伏安特性，其发光强度由供电电流决定，因此本系统采用恒流供电。红外接收部分采用与发射管相对应的接收管，其内部结构为三极管形式，对红外线具有很高的灵敏度，外部引出集电极C和发射极E，在其两端加上一定偏置电压，当一定的红外光照射到其感光部分，通过的电流会发生改变，且电流的改变量与入射光的强度有关。通过串接合适阻值的电阻可以将电流信号转换成一定范围的电压信号传给信号处理电路。

信号处理模块采用两级运放处理，第一级采用TI精密仪表运放INA118应用差分输入接收对来自传感器的信号，并具有高达110dB的共模抑制比，通过调节外接电位器来调整放大倍数，可以对前端微弱信号进行10-100倍的调整，使之达到伏的数量级；第二级采用TI高性能差动运放INA134对信号进行调零偏执调整，其内部已预置激光雕刻电阻，具有高度对称性，无需外接偏置电阻，只需在同相和反相端接入信号，就可实现相减，且具有单位增益。在不改变整个前向通道增益的情况下，对信号进行零点偏置调节。

模数转换模块为本系统的核心部分，其性能直接决定着整个系统的功能与精度。由于硬件电路是模数混合结构，因此需要克服模拟和数字电路之间的耦合干扰。本模块采用了TI的ICL7135芯片，其为四位半双积分型A/D转换器，可以转换输出±20000个数字量，BCD码形式输出，与微机接口十分方便，转换精度较高。转换器模拟信号输入端支持单端输入和差分输入，在本系统中采用了差分输入形式，可以有更高的共模抑制比，其输入端通过THS4500进行缓冲，实现差动输入，驱动ICL7135工作。

供电模块根据功能可分为两个部分：模拟供电和数字供电。两部分供电分开布置，模拟地和数字地分开布线，并一点接地。减小数字部分对模拟部分的干扰。通过多级滤波最大程度减小电源纹波。对电路不同部分的供电需求都独立配置，模拟部分利用三端稳压芯片7805和7905产生正负5V电源、数字部分利用7805产生正5V电源、模数转换芯片的参考电压1V由可调稳压芯片LM317产生，并经过电位器进行调节，具有稳定度高的特点。红外供电部分的6V等都由独立模块7806转换而来，避免公用电源引入的耦合干扰，同时将整个系统供电任务分配给多个电源模块，可减小稳压芯片的功率，使系统更加稳定。

3.2 软件设计

软件部分则是整个系统运行的核心，负责实时的数据采集处理与现实，其功能与效率决定着系统的整体性能。本系统软件采用C语言开发完成，软件流程如图3所示。

6 结论

针对微小角度的测量需求，基于单片机研制了一套微小角度测量系统，该系统以51单片机为控制核心，将红外光线的微小角度变化转变为电信号的变化，从而实现微小角度的测量。实验结果表明研制的微小角度测量系统对3度范围内的微小角度变化较为适用，在此区间内测量线性度较好，进行测量时相对误差小于1%，具有较好的测量精度，满足部分领域的工程测量需求。

参考文献：

[1] 陆德基.中国角度计量50年的进展[J].计量与测试技术，1999（6）：4-5.

[2] 浦昭邦，陶卫，张琢.角度测量的光学方法[J].光学技术，2002，28（2）：168-171.

[3] 宋继东，张万祯，林斌.一种新的光学角度测量与补偿[J].光子学报， 2011，40（3）：354 -357.

[4] 夏桂珍.一种适于小角度测量的旋光角度测量方法研究[J].大学物理，2011，30（1）：28-31.

[5] 周红锋，宫爱玲.小角度测量的光学方法[J].云南民族大学学报：自然科学版，2006，15（2）：130-133.

[6] 秋琴，吕福云，李乙钢，等.电光相对旋转角度测量实验[J].物理实验，2004，24（7）：9-11.