УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ
ANGLE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к устройствам для цифровых вычислений на основе измерений угловой скорости с использованием гироскопических эффектов и может быть использована в составе специализированных заточных станков для ножей.
Из уровня техники известен датчик динамометрический двухканальный (RU 30979 U1, МПК G01L 1/22, опубл. 10.07.2003). Устройство содержит корпус, крышку, акселерометр, четыре тензорезистора, соединенных по мостовой схеме, плату электронного преобразователя, усилитель сигнала для канала ускорения, усилитель сигнала для канала нагрузки, преобразователь напряжения в ток для канала ускорения, преобразователь напряжения в ток для канала нагрузки и источник питания.
Недостатком известного датчика является отсутствие в его конструкции вычислительного модуля, позволяющего обрабатывать и сохранять в памяти результаты измерений наклона датчика по трем осям относительно гравитационного поля Земли.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признано мобильное устройство с инклинометром (RU 2509338 C2, МПК G06F 1/16, опубл. 10.03.2015). Устройство содержит панель, снабженную графической панелью; инклинометр, сконфигурированный для обнаружения изменения в наклоне панели; акселерометр, сконфигурированный для обнаружения вращения панели из альбомной ориентации в портретную ориентацию и процессор, выполненный с возможностью выполнения управляющей программы, реагирующей на инклинометр и акселерометр для автоматической перерисовки изображения, отображаемого на графической панели.
Недостатком известного устройства является его низкая технологичность, связанная со сложностью мобильного устройства и наличием в его конструкции подвижных узлов, что также снижает его надежность. Кроме того известное устройство сложно адаптировать для его совместного использования с заточными станками для ножей.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение возможности точного определения угла заточки режущей кромки ножа с помощью предложенного устройства.
Указанная задача решена тем, что устройство для измерения углов содержит призматический корпус, с выполненным на его верхнем торце закрытым пазом, в котором закреплен измерительный блок, снабженный мультисенсорным датчиком измерения движения; измерительный блок выполнен на основе микроконтроллера с питанием от аккумуляторной батареи, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное системной шиной с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных и интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в универсальные двунаправленные GPIO-порты ввода-вывода, при этом к первому и второму GPIO-портам ввода-вывода подключены блок индикации и блок ввода данных, а к третьему GPIO-порту ввода-вывода подключен мультисенсорный датчик измерения движения.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков устройства, является обеспечение высокой точности определения угла заточки режущей кромки ножа, за счет применения в устройстве микроконтроллерного измерительного блока с подключенным к нему датчиком измерения движения, реагирующим на изменение углов ориентации устройства и обеспечивающим определение его положения относительно гравитационного поля Земли, а также блока индикации, отображающего значение измеренного угла и блока ввода данных, обеспечивающего возможность управления устройством.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан его внешний вид, на фиг. 2 приведена структурная схема измерительного блока; на фиг. 3 представлен внешний вид заточного станка, совместно с которым используют прибор.
Устройство для измерения углов имеет следующую конструкцию.
2
Основой устройства является призматический корпус 1, на верхнем торце которого выполнен закрытый паз 2, в котором закреплен измерительный блок 3, снабженный мультисенсорным датчиком измерения движения 4. При этом измерительный блок выполнен на основе микроконтроллера 5 с питанием от аккумуляторной батареи 6, содержащего микропроцессорное ядро 7, соединенное системной шиной с FLASH-памятью программ 8, SRAM-памятью данных 9 и интерфейсом ввода-вывода общего назначения, сгруппированного в универсальные двунаправленные GPIO-порты 10, 11 и 12. К первому 10 и второму 11 GPIO-портам ввода-вывода подключены блок индикации 13 и блок ввода данных 14, а к третьему 12 GPIO-порту ввода-вывода подключен мультисенсорный датчик измерения движения 4 посредством двухпроводного интерфейса IC. К семи младшим линиям первого GPIO-порта 10 ввода-вывода и четвертой линии второго GPIO-порта 11 ввода-вывода подключены информационные входы блока индикации 13, а три младших линии второго GPIO-порта 11 ввода-вывода выполнены с возможностью выбора одного из индикаторов блока индикации 13 для вывода информации.
Устройство для измерения углов может быть выполнено на основе любого известного восьми- или тридцатидвухразрядного микроконтроллера. Ниже приведен один из вариантов его исполнения на основе микросхемы серии STM32F042x4, построенной на 32-битном процессорном ядре ARM Cortex-М0.
1
1
2
2
Блок индикации 12 устройства выполнен в виде трех семисегментных индикаторов, блок ввода данных 13 выполнен в виде кнопки, в качестве мультисенсорного датчика измерения движения 5 применена микросхема серии LSM6DS3 ( Серия акселерометров LSM6DS3 // Компел. URL: https://www.compel.ru/series/ST/LSM6DS3 (дата обращения: 10.05.2021).), а в качестве аккумуляторной батареи применен литий-ионный заряжаемый аккумулятор BQ21040DBVT ( Datasheet Texas Instruments BQ21040DBVT // FindChips. URL: https://www.rlocman.ru/datasheet/data.html?di=239021&/BQ21040DBVT (дата обращения: 10.05.2021).).
Семь младших линий первого GPIO-порта А (РА0÷РА6) подключены к информационным входам (сегментам А, В, С, D, Е, F, G) индикаторов блока индикации 12, к линии РА7 порта А через токоограничивающий резистор подключен выход аккумуляторной батареи, при этом линия выполняет альтернативную функцию, являясь входом седьмого канала ADC_IN7 встроенного аналого-цифрового преобразователя контроллера, и выполняет измерение уровня заряда батареи. К линиям РА11÷РА12 подключены, соответственно, линии Data+ и Data- разъема micro-USB 15 устройства, при этом линия VBUS упомянутого разъема является входом аккумуляторной батареи, обеспечивая возможность зарядки последней.
Три младших линии второго GPIO-порта В (РВ0, РВ1, РВ3) используются для выбора (дешифрации) одного из семимисегментных индикаторов. Линия РВ4 используется для управления сегментом  индикаторов, представляющим собой точку (сегмент Н). Блок ввода данных 14, выполненный в виде кнопки (ключ), подключен к линиям РВ5÷РВ8 порта В, при этом линии РВ5÷РВ7 соединены параллельно, настроены на вывод данных (являются источниками тока) и подключены к входу кнопки, а выход последней подключен к входу линии РВ8, использующейся для фиксации нажатия на кнопку пользователем.
2
К первым двум линиям третьего GPIO-порта F (PF0÷PF1) подключен мультисенсорный датчик измерения движения посредством двухпроводного интерфейса IC, при этом линия PF1(SDA) используется для передачи данных, а линия PF0(SCL) - для тактирования.
Устройство для измерения углов используют следующим образом.
Прибор используют совместно с заточным станком для заточки ножей. Наиболее удобным для использования совместно с устройством следует признать точильный станок «Профиль К03» (фиг. 3), имеющий возможность установки на направляющую держателя абразива прибора для измерения угла заточки лезвия ножа.
Устройство имеет несколько режимов работы, к которым относятся основной режим и режим настройки.
Первоначально затачиваемый нож размещают в держателе ножей 16, а устройство для измерения углов устанавливают на направляющей держателя абразива 17 и включают его кратковременным нажатием (менее одной секунды) на кнопку (блок ввода данных) 14. Настройку угла заточки лезвия ножа осуществляют ослаблением винта 18 заточной штанги 19 и перемещением ее по стойке 20. При окончании настройки угла заточки штангу фиксируют винтом 18.
На индикаторах блока индикации 13 в течение одной секунды будет отображаться текущий уровень зарядки аккумуляторной батареи 6 в процентах. Так как семисегментный индикатор не может отобразить символ процента «%», для его индикации условно используются сегменты А, В, G, F индикатора с образованием символа  Затем устройство автоматически перейдет в основной режим работы.
Во время основного режима работы измерительный блок 3 устройства выполняет опрос мультисенсорного датчика измерения движения 4 и выводит измеренные значений угла наклона прибора на индикаторы блока индикации 13 при изменении угла наклона держателя абразива 17.
Для рассмотренного выше варианта реализации устройства это осуществляется за счет выполнения микропроцессорным ядром 7 микроконтроллера 5 управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 8 с использованием SRAM-памяти данных 9, которая с помощью линий PF0÷PF1 порта F опрашивает состояние микросхемы LSM6DS3. При этом в основном цикле программы в бесконечном цикле анализируется состояние кнопки (блока ввода данных) 14 и выполняется вывод на блок индикации 13 последнего измеренного значения угла наклона прибора относительно горизонта с помощью линий РА0÷РА6 GPIO-порта А и линий РВ0÷РВ4 GPIO-порта В. Величина угла на индикаторах блока индикации отображается в градусах и их десятых долях, например 09.2.
Отключение устройства в основном режиме происходит автоматически через одну минуту. Прибор можно также отключить вручную кратковременным нажатием (менее 2 секунд) на кнопку (блок ввода) 14.
Режим настройки предназначен для калибровки устройства по горизонту. Для этого его располагают на ровной поверхности, включают, нажимают кнопку (блока ввода данных) 14 и, не отпуская ее, дожидаются повторного мигания цифр на индикаторах блока индикации 13, что происходит через 10÷12 секунд после включения устройства. Далее кнопку отпускают, а затем осуществляют ее кратковременное нажатие, после чего обеспечивают неподвижность прибора в течение 2÷4 секунд, пока блок индикации 13 отображает калибровочный код «Р1», после чего устройство аккуратно поворачивают относительно вертикальной оси на 90°, не изменяя при этом его горизонтального положения. Указанные действия повторяют последовательно четыре раза, при этом блок индикации после первого калибровочного кода будет отображать коды «Р2», «Р3» и «Р4». После выполнения калибровки прибор автоматически выключится.
Аккумуляторную батарею 6 устройства заряжают с помощью разъема micro-USB 15 устройства, что позволяет ему работать автономно не менее 6 часов.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке прибор является относительно простым и компактным устройством, позволяющим точно определять угол заточки режущей кромки ножей при их заточке на специализированных заточных приспособлениях, в частности на точильных станках.