一种智能角度测量仪的研究与设计

摘要

随着工业4.0、智慧智造等概念逐年深化，如何精确获取并量化体现机械设备角度改变成为必须解决的问题，设备寿命，产品质量等生产成本指标与测量值的准确性息息相关。因此，高灵敏、高精度、多功能的新型角度传感器的研发与打造智能化生产之路的发展不谋而合。
　　角度测量技术发展不断成熟，出现了多种多样的角度传感器。其中电容式角度传感器具有分辨率高、动态响应好、稳定性好、结构简单和成本低等特性，非常具有研究意义。由于电容式传感器传统的测量电路复杂、难以消除寄生电容、输出非线性的缺点，造成了电容式角度传感器的分辨率低、成本高和测量范围小。本文设计了一种电容式角度传感器结构，研究了传感器的性能，使其能实现0°～360°的大范围测量。采用了一种ADCAP电容测量方案，改善了传感器输出非线性的现象，减少了寄生电容，简化了复杂的电路设计。
　　智能角度测量仪是一种智能的测量角度的仪器，具有角度值的实时测量、液晶屏实时显示、上位机角度显示与记录功能。系统由角度传感器、电容测量模块、STM32控制器模块、OLED显示模块、电源模块、下载模块和上位机软件模块组成。采用C语言在MDK5编程环境下完成智能角度测量仪的软件功能设计，在STM32控制器中写入角度测量算法，处理角度传感器输出信号，实现角度测量。采用LABVIEW软件编写上位机界面，实时记录角度值与电容信号。
　　本设计采用高精度标准测角仪对智能角度测量仪做了标定实验，分析了角度传感器的输出与输入特性曲线。根据最小二乘法原理，用MATLAB编写曲线拟合算法，计算线性拟合多项式，并绘制了拟合误差曲线，计算了角度传感器的线性度。
　　最后，通过准确度实验分析智能角度测量仪的性能指标，得出结论。并对整个系统做了误差分析与相应的解决方案。本文给出整体设计方案，并对所用到的芯片做了详细的介绍，绘制了硬件电路图，给出了软件程序设计。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状和发展动态

1.3 课题研究主要内容

2 智能角度测量仪的方案选型与设计

2.1 系统设计要求

2.2 系统方案选型

2.3 系统总设计方案

3 智能角度测量仪的硬件设计

3.1 硬件设计方案

3.2 角度传感器的设计方法

3.3 STM32控制器模块设计

3.4 USB接口模块设计

3.5 电源模块设计

3.6 OLED显示模块设计

3.7 下载接口的设计

4 智能角度测量仪的软件设计

4.1 软件设计方案

4.2 角度测量程序设计

4.3 OLED显示程序设计

4.4 串行通信程序设计

4.5 上位机软件设计

5 智能角度测量仪的测试实验与分析

5.1 系统调试

5.2 传感器标定实验

5.3 准确度实验

5.4 误差分析

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

从事科学研究和学习经历简介

攻读硕士期间主要成果