角度传感器简单应用系统
角度传感器简单应用系统
时间：2011-04-24 09:42:20 作者：秩名
论文导读：传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位，传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息，很大程度上影响和决定着系统的性能，本设计采用以单片机为控制单元，用单轴倾角传感器检测平衡板倾斜角度，采取步进电机控制平衡板角度自动旋转目的。本设计以C8051F005单片机为控制核心，通过把单轴倾角传感器SCA60C 水平的固定在平衡板上，达到了实时检测平衡板倾斜角度的目的，并通过对步进电机驱动电路的控制实现了平衡板的转动。 关键词：角度传感器，C8051F005单片机，角度预置，步进电机，显示联动
0. 引言：
传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位，传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息，很大程度上影响和决定着系统的性能，本设计采用以单片机为控制单元，用单轴倾角传感器检测平衡板倾斜角度，采取步进电机控制平衡板角度自动旋转目的。
1. 硬件电路设计
角度传感器硬件连接图如图1所示，当步进电机带动平衡板倾斜到使角度传感器SCA60C 处于水平位置时，Vo 端输出+0.5V的模拟电压。传感器SCA60C 仅可精确检测到0~90度的角度范围，当平衡板转到使角度传感器与水平面成90度的角度时，此时Vo 端输出+5V的模拟电压。在0~90度的倾角范围内，Vo 端输出的是正比于倾角大小的+0.5~+5V的模拟电压信号，当平衡板转动到使角度传感器与水平面间的角度从90度到180度的范围变化时，输出端Vo 输出的是从+5V依次变化到+0.5V 的模拟电压信号[1][2]，因此通过测定传感器SCA60C 输出端Vo 电压的大小即可确定平衡板与水平面的夹角。
步进电机驱动电路的设计本系统中，我们选择4相5线步进电机，其驱动电路主要由L297+L298组成，该驱动电路集驱动与保护于一体。L297是脉冲分配器，只要步进电机A 、B 、C 、D 四项依次连接到J1的1、2、3、4各点，且将剩下的一条线接地，L297就会自动的将输入到端口CW/CCW的脉冲分配给步进电机的各个相序，此时步进电机便可转动[3][4]。控制电机时只需单片机通过I/O口向L297的cw/ccw和clock 端发送控制信号即可控制它的转速和正反转。驱动电路原理如下图2。论文参考。论文参考。
图1角度传感器硬件连接图图2步进电机驱动电路原理图
本系统主要由主控制器模块、角度检测模块、A/D转换模块、键盘模块和显示器模块等部分组成，系统连接图如图3所示：
图3系统框图
系统分为两个工作模式，工作于模式一时，可通过键盘模块预置一个角度，主控制器接收到此信息后，通过控制电机控制模块来使角度检测模块做出转动动作以使平衡板按输入角度完成倾斜动作。同时，角度传感器输出的模拟量经A/D转换模块转换后送入主控制器，主控制器据此输入判定平衡板是否已倾斜到预置的角度，并据此来控制电机控制模块，并且主控制器模块通过控制显示模块实时的显示平衡板的倾斜角度。通过按键模块可将系统切换到模式二，模式二的功能是能始终保持平衡板的水平，且能使显示模块显示的内容与平衡板联动，两种工作可通过按键来切换。系统使用c8051f00作为控制核心，128*64作为显示器，4*4键盘来输入需要预置的角度。程序具有角度预置和自动寻找平衡点两种模式，根据不同需要选择，具有友好人机界面，操作简单易懂。软件流程图如下图4所示：
图4 程序流程图
2. 系统测试与分析
表1系统性能测试
基本要求测试
输入角度大
平衡时角度 误差
小
30o 度 29.07 o 0 .70% 14 o 0 o 0 发挥部分测试 起始倾斜角平衡时角度 误差
65 o 65.6 o 0.90% 32 o 0.3 o 0.90%
94 o 94.2 o 0.20% 80 o 0.3 o 0.38%
110 o 110.4 o 0 .36% 76 o 0.7 o 0.92%
176 o 175.7 o 0 .17 121 o 1.2 o 0.99%
系统测试与分析如表1所示，本系统的误差来源主要有两方面：1) 装配误差：角度传感器要水平装设在平衡板上，装配时很难保证两者严格的在同一平面上，这会使角度传感器不能精确地反映平衡板的倾斜角。2）步进电机误差：步进电机动作是靠不断地输入脉冲来实现的，每输入一个脉冲步进电机会转动一个固定的角度（0.09度）。论文参考。若预置β度，则应送给步进电机的脉冲数为β/0.09个，但这个数值可能不是整数，需要经取整处理，取整时便引入了误差。另外，步进电机还存在失步和越步的现象，这也会引入误差。
3. 结束语
本设计以C8051F005单片机为控制核心，通过把单轴倾角传感器SCA60C 水平的固定在平衡板上，达到了实时检测平衡板倾斜角度的目的，并通过对步进电机驱动电路的控制实现了平衡板的转动。系统可实现通过键盘预置倾斜角度、实时显示角度值、屏幕显示与平衡板倾斜联动和可使平衡板部分始终保持水平等功能。
参考文献：
[1] 康华光. 电子技术基础 模拟部分[M], 高等教育出版社, 2006.
[2] 康华光. 电子技术基础 数字部分[M], 高等教育出版社, 2007.
[3] 全国大学生电子设计竞赛组委会, 全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选[M],北京理工大学出版社,2006
[4] 陈永真, 全国大学生电子设计竞赛试题精选[M], 电子工业出版社,2007