許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 穆亞輝 王俊豪

基于HT46R24單片機(jī)傾斜角度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 穆亞輝 王俊豪

本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)HT46R24控制和力學(xué)原理，將荷重元的輸出電壓轉(zhuǎn)換成角度，顯示在LCD板上，很快的測(cè)出平臺(tái)傾斜的角度。量測(cè)的角度范圍可以到達(dá)1800，以數(shù)字輸出的方式顯示，提高了角度測(cè)量精度，并縮短測(cè)量時(shí)間，還可以利用電子信號(hào)輸出來控制其他的自動(dòng)化設(shè)備，以達(dá)到自動(dòng)化調(diào)控的功能。

角度測(cè)量?jī)x；荷重元；單片機(jī)

1.引言

許多自動(dòng)化設(shè)備，例如像汽車、飛機(jī)、機(jī)械平臺(tái)等都需要測(cè)量設(shè)備本身傾斜的角度并將測(cè)量的結(jié)果回饋給控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)內(nèi)部做出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)的傾斜度，因此高精度傾斜感測(cè)器是現(xiàn)代科技發(fā)展不可缺少的零件，尤其在建筑產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用是更為廣泛。我們應(yīng)用力學(xué)原理設(shè)計(jì)高精度傾斜感測(cè)器，并使用8位元系列HT46R24單片機(jī)作微控制器，設(shè)計(jì)出了精度較高的傾斜感測(cè)器。

2.HT46R24單片機(jī)角度測(cè)量?jī)x工作原理

荷重元是一種用來測(cè)量應(yīng)力的感測(cè)元件。當(dāng)一根導(dǎo)體材料兩端受到外力負(fù)荷，產(chǎn)生軸向長(zhǎng)度稍微拉長(zhǎng)，截面也稍微變細(xì)，導(dǎo)線電阻值計(jì)算公式為：

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

圖1 運(yùn)用應(yīng)變規(guī)量測(cè)變形量

圖2 荷重元內(nèi)包含應(yīng)變規(guī)和電橋電路

量測(cè)出應(yīng)變規(guī)導(dǎo)線電阻值的變化，便可計(jì)算其伸長(zhǎng)量或應(yīng)變，再進(jìn)而計(jì)算出其應(yīng)力或受力大小。利用此原理將導(dǎo)體做成如圖1所示的板狀，即形成應(yīng)變規(guī)，將應(yīng)變規(guī)貼在所要量測(cè)的試片上，由測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(nèi)部通常包含應(yīng)變規(guī)和一個(gè)用來放大應(yīng)變規(guī)內(nèi)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(gè)相當(dāng)常見的信號(hào)放大電路，電橋上串連兩個(gè)應(yīng)變規(guī)，一個(gè)應(yīng)變規(guī)與所要測(cè)量外力方向相同，另一個(gè)“補(bǔ)償應(yīng)變規(guī)”則與量測(cè)應(yīng)變規(guī)相垂直，使所要測(cè)量外力不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生變形。

圖3 將類比信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)

圖4 程序流程圖

圖5 3D實(shí)物結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 線路示意圖

在選用荷重元時(shí)，須注意量測(cè)物體的最大負(fù)荷、輸出信號(hào)值、參考電源大小及反應(yīng)時(shí)間等特性。一般來說，荷重元的信號(hào)極為微弱，且常為非電線性的輸出，需要經(jīng)過信號(hào)放大器作放大與補(bǔ)正處理，才能得到量測(cè)力的精密度。

此外，輸出信號(hào)均為類比的微小信號(hào)，因此必須將信號(hào)放大才能作進(jìn)一步的處理，同時(shí)在一般的應(yīng)用場(chǎng)合中，往往還需要將信號(hào)回饋，傳送至單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算，因此必須將類比式的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才能讓微電腦讀取，這個(gè)程序是由類比數(shù)字資料轉(zhuǎn)換元件ADC來完成，如圖3所示。圖中ADC將感測(cè)器輸出電壓的類比信號(hào)提取、量化之后，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)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(tái)。將所有的軟件工具，例如：編輯器、組譯器、連結(jié)器、函數(shù)庫管理員和符號(hào)除錯(cuò)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(jìn)行程序開發(fā)。此軟件模擬器可以利用單片機(jī)，以及所有HT-ICE模擬器之基本功能。利用以HT46R24單片機(jī)為核心的控制器主體搭配一個(gè)LCD的信號(hào)輸出模組與荷重元量測(cè)系統(tǒng)作為輸入單元，并規(guī)劃HT46R24單片機(jī)PA點(diǎn)輸出點(diǎn)，PB點(diǎn)輸入點(diǎn)。其中HT46R24 MCU Based控制器主體用來執(zhí)行邏輯、運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，并透過數(shù)字輸出或類比輸入模組來進(jìn)行角度測(cè)量動(dòng)作，本設(shè)計(jì)程序流程圖，如圖4所示。

4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

荷重元實(shí)物結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

除了荷重元是鋼鐵材料之外，其他結(jié)構(gòu)都由鋁材構(gòu)成。其中的硬件線路，如圖6所示。

利用在量測(cè)儀中放置一鋼珠，當(dāng)量測(cè)儀放置在傾斜面時(shí)，該鋼珠因滑動(dòng)而碰觸到某側(cè)的荷重元，并隨著傾斜面角度的增加，該荷重元所量測(cè)到的側(cè)向力越大，進(jìn)而反推算平臺(tái)傾斜的角度，透過單片機(jī)的應(yīng)用，將該荷重元的輸出電壓轉(zhuǎn)換成角度，顯示在LCD面板上，達(dá)到即時(shí)得知平臺(tái)傾斜角度的效果。數(shù)字輸出的方式，更能提高角度測(cè)量精度及縮短測(cè)量時(shí)間，容易與其他自動(dòng)化設(shè)備配合使用，利用電子信號(hào)輸出來控制其他的自動(dòng)化設(shè)備，以達(dá)到自動(dòng)化調(diào)控之功能。

5.結(jié)論

本設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍廣泛，在平臺(tái)上安裝兩個(gè)角度測(cè)量?jī)x可以控制機(jī)構(gòu)調(diào)整平臺(tái)的水平；應(yīng)用在自走型機(jī)器人身上，讓機(jī)器人能夠下樓梯及特定角度移動(dòng)變化；把角度測(cè)量?jī)x安裝在汽車上，可以測(cè)量路面坡度，使汽車駕駛員了解路況，可以提前預(yù)測(cè)意外事故的發(fā)生；角度測(cè)量?jī)x可以讓交通工具自動(dòng)補(bǔ)正因地型所形成的傾斜角，使放置在車內(nèi)的東西不易傾倒；可安裝于病床中讓病患能自動(dòng)調(diào)整所需傾斜角，而不須再使用手搖方式調(diào)整病床的角度等。

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