基于STM32的高精度角度檢測儀的設(shè)計

杜鋒　李本登

摘要：針對現(xiàn)有角度測量裝置測量精度低，實時數(shù)據(jù)差，抗沖擊能力弱，測量環(huán)境靈敏度差，可操作性差的問題，采用 STM32高性能單片機(jī)設(shè)計了高精度角度測量儀，通過角度測量電路，補償電路和 GPRS無線通訊電路的設(shè)計。實現(xiàn)了通過GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸從角度數(shù)據(jù)收集和存儲數(shù)據(jù)到客戶端的功能。有效地提高了角度測量的效率。高精度單軸測斜儀SCA103T作為角度傳感器，提高了測量的精度和靈敏度。

關(guān)鍵詞：STM32;高精度;無線數(shù)據(jù)傳輸;SCA103T

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0245-02

1 項目背景

角度計用作許多控制系統(tǒng)中的瞄準(zhǔn)部件的手段。在過往的控制系統(tǒng)中，大都是靠操作人員的經(jīng)驗或者利用傳統(tǒng)的機(jī)械式測角儀，傳統(tǒng)的機(jī)械式測角儀利用分度盤來進(jìn)行角度測量，而分度盤不能無限增加，從而受到限制，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的測量要求。角度測量儀可以方便地顯示前后角度差，減少了工人的專業(yè)要求，提高了生產(chǎn)效率，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。因此，有必要研究一種合適的角度測量方法。

本項目主要應(yīng)用于橋梁建設(shè)打樁垂直度的測量、具有很強(qiáng)的實用價值。由于之前的產(chǎn)品測量精度只能達(dá)到±0.01?，不能滿足用戶對角度測量精度的要求。因此，通過本創(chuàng)新項目，能夠提升角度測量精度。

2 設(shè)計方案

角度測量是計量科學(xué)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文所描述的角度測量儀使用STM32F103作為數(shù)據(jù)處理的核心單元。這是一款帶有Cortex-M內(nèi)核的低功耗，高速度的32位處理器。角度測量模塊使用的是高精度、低功耗角度傳感器 SCA103 T，能將角度轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字輸出或-5 V～+5 V的直流電壓輸出，對應(yīng)的測量角度為-15?～+15?，通過給定的算法和數(shù)字低通濾波后即可計算出當(dāng)前的傾斜角度值。此角度值可以直接在液晶上顯示或者通過通信模塊直接傳送到用戶客戶端上，便于操作。

2.1所用角度傳感器特點簡介

高精度單軸測斜儀SCA103T系列是基于3D MEMS的單軸測斜儀，可提供一流的儀器性能。傳感器的傳感元件在測量時需要與測量平臺平行，并且必須彼此垂直。 低溫度，高分辨率，低噪聲和強(qiáng)大的傳感元件設(shè)計使SCA103T成為角度測量儀器的最佳選擇。此外，傾斜傳感器具有一定程度的抗振性，因為它們增加了部件內(nèi)部的阻尼感測，使其能夠承受高達(dá)20，000g的機(jī)械沖擊力。

2.2方案具體實施措施

本角度測量儀主要從以下幾個方面入手：

1）角度傳感器信號處理電路與數(shù)據(jù)采集電路的相關(guān)設(shè)計。使傳感器能夠在極端環(huán)境中能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

2）通過相關(guān)程序設(shè)計和硬件的優(yōu)化以減少儀器對于外在因素的影響，主要是通過添加溫度補償電路以及在程序中添加溫度補償算法;

3）主控制器驅(qū)動部分，人機(jī)交互部分包括按鍵部分和顯示部分;

4）GPRS無線通信模塊的增加以及冷啟動控制電路的創(chuàng)新，通過GPRS無線通訊模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，冷啟動控制電路能夠降低系統(tǒng)總體的功耗。

3 硬件設(shè)計

高精度角度檢測儀的硬件系統(tǒng)包括：模擬信號輸入電路、模擬信號處理電路、GPRS無線通訊電路，以及按鍵電路顯示電路。但是，每個電路的具體實施方法又與相關(guān)技術(shù)的功能、成本、發(fā)展程度相結(jié)合。該角度測量儀要求能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測以及實時數(shù)據(jù)傳輸功能。整體電路包括角度傳感器的電源電路設(shè)計，信號處理電路設(shè)計，按鍵電路的設(shè)計，溫度補償電路的設(shè)計，顯示電路的設(shè)計和GPRS無線通訊電路的設(shè)計。整體設(shè)計如圖2所示。

3.1信號處理電路設(shè)計

信號處理分為兩個：一是對溫度的測量，二是對角度信號的測量。

1）通過在傳感器中封裝熱敏電阻，通過恒流源為熱敏電阻提供穩(wěn)定的電流，產(chǎn)生電阻器兩端的電壓降，在測量電阻電路后，獲得熱敏電阻的實際電阻值，然后完成熱敏電阻的溫度特性，將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度[5];

2）通過穩(wěn)定的直流5V電源進(jìn)行供電，避免因數(shù)字耦合產(chǎn)生的噪聲對其測量信號的影響。同時為了使 SCA103T獲得最佳性能的比例輸出，使用了5.11千歐電阻和由10 nf電容組成的低通 RC濾波器可最大限度地降低時鐘噪聲對其輸出的影響。最后，信號由外部儀表放大器放大并發(fā)送到微控制器進(jìn)行處理。

3.3冷啟動控制電路設(shè)計

冷啟動控制電路功能通過系統(tǒng)軟硬件共同協(xié)調(diào)工作來實現(xiàn)，當(dāng)外部按鍵被按下時，內(nèi)部軟件能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)自動上鎖，當(dāng)外部按鍵松開時，內(nèi)部軟件實現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)自動解鎖，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗功能。

4 軟件設(shè)計

為了更便于軟件相關(guān)調(diào)試和進(jìn)行后期維護(hù)，軟件使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。根據(jù)本軟件設(shè)計的需求，需要進(jìn)行對信號測量程序的設(shè)計，無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計，顯示驅(qū)動的設(shè)計以及按鍵驅(qū)動的相關(guān)設(shè)計。使用STM32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的處理、顯示以及傳輸。同時為GPRS無線通訊模塊編寫相關(guān)通信協(xié)議，并控制角度測量儀器的數(shù)據(jù)通過其進(jìn)行無線傳輸。

4.1 主程序設(shè)計

主程序設(shè)計首先讀取測量信號并通過A / D轉(zhuǎn)換讀取溫度值以補償數(shù)據(jù)。 其次，冷啟動控制電路的軟件設(shè)計，使軟硬件共同配合用于實現(xiàn)冷啟動功能。對GPRS無線通訊模塊的初始化，并將系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)通過GPRS通信協(xié)議無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時檢測和相關(guān)命令的控制。具體設(shè)計步驟如圖4所示。

4.2 GPRS無線通訊協(xié)議設(shè)計

GPRS無線通訊功能首先需要編寫相關(guān)串口的驅(qū)動程序，使它能夠?qū)崿F(xiàn)串口的開關(guān)和讀寫，最后利用其驅(qū)動編寫GPRS無線通訊模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。利用STM32單片機(jī)對GPRS無線通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、控制等命令。利用GPRS無線通訊模塊的DTU模式，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，使上位機(jī)實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和相關(guān)命令的控制。

5 結(jié)束語

利用單片機(jī)技術(shù)，使以STM32單片機(jī)作為角度傳感器的控制中心的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)角度測量功能以及對數(shù)據(jù)的無線傳輸功能。根據(jù)對角度傳感器工作原理的相關(guān)研究，優(yōu)化了相關(guān)的信號調(diào)理電路。設(shè)計了溫度補償電路用于減少角度傳感器對于溫度的影響，從而提高了本角度檢測儀的測量精度。GPRS數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程測量和控制，增強(qiáng)了實時數(shù)據(jù)傳輸。通過設(shè)計了冷啟動控制電路，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)總體的功耗。綜上所述，該角度測量儀能夠提高數(shù)據(jù)監(jiān)控效率，對于極端環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，有利于各種應(yīng)用場合的使用，具備良好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】