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摘要：在现代工程技术中，经常会遇到角度的动态测量问题。例如：起重机的起重臂提升角度的控制、钻机的钻头切入角度的控制、挖掘机的挖掘深度控制等，都需要对执行机构的姿态进行测量，此时角度的测量是必不可少的，有了角度值就能够准确地计算出执行机构的运动范围，在很好地满足施工要求的同时也提高了安全性。本文介绍一种角度传感器的电路原理及设计过程，并通过仿真验证等环节最终制作出电路板，为机械设备的操控提供了方便。
关键词：工程技术 角度传感器 测量
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
一．設计总思路
谈到机械设备执行机构角度的测量，不难想到脉冲编码器，使用脉冲编码器可以将机械转角转换为电脉冲，然后通过脉冲计数计算角度值，下图为设计总图。那么使用什么芯片采集脉冲编码器输出的脉冲，如何计数、如何计算、如何输出，就是本文要介绍的主要内容。
二．硬件简介
在整体电路中，要用到多个不同性质和功能的芯片来实现我们所要的功能，现对主要硬件介绍如下：
（一）脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，可以把角位移转换成电信号的一种装置。广泛地应用于工业各领域，其工作原理已为人们所熟知，这里不再赘述。
（二）四倍频电路QA740210
在实际应用中，可以直接将脉冲编码器输出的脉冲送到计数器中计数，这样角度计数的精度就完全取决于脉冲编码器的分辨率，但如果采用四倍频的方法，不但可以提高精度，同时在满足精度要求的情况下可以选用分辨率较降的脉冲编码器，缩小了体积而且降低了成本。
QA740210可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送加减计数器进行加、减计数，如图为四倍频电路：
（三）计数器74HC193
如图74HC193是可预置同步4位二进制加/减计数器，设有加计数脉冲输入端，减计数脉冲输入端，分别在接收到相应的脉冲时对输出的二进制结果进行加减计数。同时还设有借位端和进位端、置数端和复位端等，利用这些端口可实现级联计数，由于是4位二进制，每个芯片最多只能记录15个脉冲数，若采用BCD计数法，需要四个芯片级联才能记录上万的脉冲数量，本文采用4个芯片级联，最大可以记录65535个脉冲，可以满足绝大部分的测量要求，关于级联的电路由于篇幅的原因不再赘述。
（四）可编程控制器ATmega64
图为ATmega64芯片是基于增强的AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，64个引脚中有53个可编程的I/O 接口，并具有可编程的内部上拉电阻。本电路中将B、E作为输入端口，将C、G作为输出端口，对输入的16位二进制数作必要的转换和计算。并将计算结果送往显示芯片。
（五）显示驱动器ICM7218A
ICM7218系列驱动器是由MAXIM公司生产的通用8位LED数码管驱动器,有ICM7218A、ICM7218B、ICM7218C、ICM7218D和ICM7218E五个品种,其中ICM7218A(共阳极)能很方便地与微处理器MEGA64配合使用，其输出可以直接驱动LED显示而不需要外加驱动电路，使用方便。因本电路的最终显示只有五位数，因此显示驱动器的输出只需接五片共阳极LED数码管即可。
三．主板的工作原理
主板工作原理框图如下：
在旋转机构的转轴上连接脉冲编码器，码盘转动输出脉冲，两路正交信号接入四倍频芯片的0o和90o管脚，接收来自光电码盘的正交方波，通过四倍频电路产生两路加、减计数信号，由+CPo和-CPo两个管脚输出，并分别接入可逆计数器的加计数时钟端CPU和减计数时钟端CPD，通过计数器级联电路产生的16位2进制数由四片74HC193的Q0~Q3管脚输出，并由MEGA64的PB0~PB7和PE0~PE7端口接收，通过程序计算转化为角度值，输出口PG0和PG1接入ICM7218A的WRITE和MODE端口作为控制位，数据从PC0~PC7输出到显示驱动器的ID0~ID7，然后通过显示驱动器转化为数码管可识别的信号并连接至数码管。这样就可从数码管的显示中直观地读到机械转过的角度值。
控制器ATmega64用主程序如下：
由于篇幅原因没有列出全部函数，简单介绍如下：
convert()函数的功能是接收变量dd的值并将其转换为10进制，同时根据光电编码器的分辨率和4倍频计算出角度值赋给led_buf[5]。
display()函数的功能是调用ICM7218A的命令字，把led_buf[5]的数值写入显示驱动器进行显示。
四、结语
本文中介绍的角度传感器，利用脉冲编码器及常见的芯片，并通过脉冲计数的方式，可以方便地对机械设备的执行机构进行角度的测量，在工程上提升了设备的工作效率、质量以及安全性，并使人工操控更为便捷。
参考文献：
1. 《光电码盘四倍频分析》 韩壮志 李伟 王田苗 王守杰
2. 《新型显示驱动器ICM7218A原理及应用》黄复清
关键词：工程技术 角度传感器 测量
中图分类号：S611文献标识码： A 文章编号：
一．設计总思路
谈到机械设备执行机构角度的测量，不难想到脉冲编码器，使用脉冲编码器可以将机械转角转换为电脉冲，然后通过脉冲计数计算角度值，下图为设计总图。那么使用什么芯片采集脉冲编码器输出的脉冲，如何计数、如何计算、如何输出，就是本文要介绍的主要内容。
二．硬件简介
在整体电路中，要用到多个不同性质和功能的芯片来实现我们所要的功能，现对主要硬件介绍如下：
（一）脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，可以把角位移转换成电信号的一种装置。广泛地应用于工业各领域，其工作原理已为人们所熟知，这里不再赘述。
（二）四倍频电路QA740210
在实际应用中，可以直接将脉冲编码器输出的脉冲送到计数器中计数，这样角度计数的精度就完全取决于脉冲编码器的分辨率，但如果采用四倍频的方法，不但可以提高精度，同时在满足精度要求的情况下可以选用分辨率较降的脉冲编码器，缩小了体积而且降低了成本。
QA740210可将两路正交的方波进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送加减计数器进行加、减计数，如图为四倍频电路：
（三）计数器74HC193
如图74HC193是可预置同步4位二进制加/减计数器，设有加计数脉冲输入端，减计数脉冲输入端，分别在接收到相应的脉冲时对输出的二进制结果进行加减计数。同时还设有借位端和进位端、置数端和复位端等，利用这些端口可实现级联计数，由于是4位二进制，每个芯片最多只能记录15个脉冲数，若采用BCD计数法，需要四个芯片级联才能记录上万的脉冲数量，本文采用4个芯片级联，最大可以记录65535个脉冲，可以满足绝大部分的测量要求，关于级联的电路由于篇幅的原因不再赘述。
（四）可编程控制器ATmega64
图为ATmega64芯片是基于增强的AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，64个引脚中有53个可编程的I/O 接口，并具有可编程的内部上拉电阻。本电路中将B、E作为输入端口，将C、G作为输出端口，对输入的16位二进制数作必要的转换和计算。并将计算结果送往显示芯片。
（五）显示驱动器ICM7218A
ICM7218系列驱动器是由MAXIM公司生产的通用8位LED数码管驱动器,有ICM7218A、ICM7218B、ICM7218C、ICM7218D和ICM7218E五个品种,其中ICM7218A(共阳极)能很方便地与微处理器MEGA64配合使用，其输出可以直接驱动LED显示而不需要外加驱动电路，使用方便。因本电路的最终显示只有五位数，因此显示驱动器的输出只需接五片共阳极LED数码管即可。
三．主板的工作原理
主板工作原理框图如下：
在旋转机构的转轴上连接脉冲编码器，码盘转动输出脉冲，两路正交信号接入四倍频芯片的0o和90o管脚，接收来自光电码盘的正交方波，通过四倍频电路产生两路加、减计数信号，由+CPo和-CPo两个管脚输出，并分别接入可逆计数器的加计数时钟端CPU和减计数时钟端CPD，通过计数器级联电路产生的16位2进制数由四片74HC193的Q0~Q3管脚输出，并由MEGA64的PB0~PB7和PE0~PE7端口接收，通过程序计算转化为角度值，输出口PG0和PG1接入ICM7218A的WRITE和MODE端口作为控制位，数据从PC0~PC7输出到显示驱动器的ID0~ID7，然后通过显示驱动器转化为数码管可识别的信号并连接至数码管。这样就可从数码管的显示中直观地读到机械转过的角度值。
控制器ATmega64用主程序如下：
由于篇幅原因没有列出全部函数，简单介绍如下：
convert()函数的功能是接收变量dd的值并将其转换为10进制，同时根据光电编码器的分辨率和4倍频计算出角度值赋给led_buf[5]。
display()函数的功能是调用ICM7218A的命令字，把led_buf[5]的数值写入显示驱动器进行显示。
四、结语
本文中介绍的角度传感器，利用脉冲编码器及常见的芯片，并通过脉冲计数的方式，可以方便地对机械设备的执行机构进行角度的测量，在工程上提升了设备的工作效率、质量以及安全性，并使人工操控更为便捷。
参考文献：
1. 《光电码盘四倍频分析》 韩壮志 李伟 王田苗 王守杰
2. 《新型显示驱动器ICM7218A原理及应用》黄复清