双通道高精度角度测量仪设计论文

1、中北大学2014届毕业设计说明书毕业设计说明书双通道高精度角度测量仪设计10051041学生姓名： 学号： 信息与通信工程学院学 院： 光电信息工程专 业： 李文强指导教师： 2014 年 6 月双通道高精度角度测量仪设计摘要 在很多领域，角度位置信号的测量都非常重要，尤其是在运动物体的控制和检测系统中,不仅需要准确的线参量,更需要准确的角参量(尤其是角加速度)信息。目前随着科学技术的发展, 角加速度传感器的应用越来越广泛，其测量精准度直接影响着整个系统的精度。本文主要介绍了将角度测量和单片机控制结合，实现双通道高精度角度测量仪的设计方案。设计中采用了芬兰VTI公司高精度MEMS单轴倾角传感器

2、（SCA103T-DO4倾角计），微处理器通过SPI接口直接读取SCA103T-DO4内部AD转换器转换结果(11位AD), 通过调试系统角度测量范围达±18º，精度可到0.003º，在工程实践中具有一定现实意义。关键词：角度传感器，单片机，双通道，SCA103T-DO4，SPI接口Dual channel and high precision Angle measuring instrumentAbstractThe measurement of Angle position signal is very important in many fields esp

3、ecially in the control and detection system of moving object, in which people not only need the exact line parameters but also need more accurate information about the Angle parameter ( especially angular acceleration).Now With the development of science and technology, the angular acceleration sens

4、or has been extensively applied, which measurement precision directly affects the precision of the whole system. This article mainly introduced the combination of Angle measurement with MCU control to realize the design of two-channel high precision Angle measuring instrument. Adopted in the design

5、of high-precision MEMS Finland VTI company single shaft Angle sensor (SCA103T-DO4 inclinometer), the microprocessor through the SPI interface directly read SCA103T-DO4 AD converter internal transformation (11 AD) as a result, through the debugging system Angle measurement range of plus or minus 18 D

6、HS, precision can be up to 0.003 DHS, has certain practical significance in engineering practice.Key words: Angle sensor，MCU，Dual Channel，SCA103T-DO4，SPI Interface 目 录1 绪 论11.1 研究背景11.2 现状及前景11.3 主要研究的内容及其意义32 设计过程原理和算法52.1 角度测量原理52.2 加速度测量角度原理52.3 SCA103T-DO4工作原理82.3.1 SCA103T-D04测量角度原理82.3.2 SCA10

7、3T-D04主要特征112.3.3 SCA103T的SPI串行接口142.4 系统总体设计方案162.4.1 系统硬件设计162.4.2 系统软件设计173 硬件电路设计183.1 STC12C5A60S2外围电路设计183.1.1 STC12C5A60S2基本特点及结构183.1.2 STC12C5A60S2最小系统213.2 SCA103T-D04模块设计223.2.1 SCA103T-D04温度补偿特性223.2.2 SCA103T-D04外围电路233.2.3 SPI接口电路243.3 显示模块设计与调试253.4 电源稳压模块设计与调试284 软件系统设计314.1 初始化程序314

8、.2 主程序设计31第II页 共II页4.3 误差分析324.4 软件设计总结335 系统调试与结果显示346 数据处理算法研究35参考文献36附录38致谢50中北大学2014届毕业设计说明书1 绪 论1.1 研究背景随着科技的进步，在很多方面如制造业中的机器人工作, 汽车工业中运动状态的控制, 军事系统中巡航导弹的控制等诸多领域,角度测量都是一项非常重要的工作，其测量精准度直接影响着整个系统的精度。其次角度测量也是计量科学中发展较为完备的一个分支，各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。据统计, 角度测量方法大致可以按测量原理分为16大类。在过去的二十多年中, 角度测量的准确度也

9、达到了此前10倍以上1。此外，伴随人类社会步入信息时代，信息获取作为科学与技术进步的源头将会更加关键和基础，而角度测量作为获取信息的重要方式也影响深远2。1.2 现状及前景由于角度测量技术越来越广泛地应用于机械、光学、航空、航海等各个领域，技术水平和测量准确度不断提高。国内外许多部门和研究机构柑继研制出多种测角仪器,以满足经济、国防和科学研究等各部的需要。采用先进的科学技术成果和现代化的技术设备,使测量准确度不断提高,测量范围不断扩大。近年来,特别是随着计算技术的蓬勃发展,使得角度测量技术得以实现全自动化。由于用于角度测量的传感器种类较多,功能各异,各种测角技术和测角装置都针对不同的技术要求和

10、应用环境,因此有必要对几种主要的测量方法做一全面阐述。(1)机械式测角技术 以多齿分度盘为代表的机械式圆分度器件,具有工艺好、工作可靠、结构简单、使用寿命长、对环境要求低等优点,是一种基于机械分度定位原理的圆分度技术。虽然它单个齿盘的分度误差很大,但当两个齿数相同、模数相同的齿盘啮合后,由于产生“平均效应”,使分度准确度大大提高。而且由于差动技术的采用,两不同齿数的两件以上的齿盘啮合后,可获得较小的分度间隔。 用多齿分度盘分度测量角度,虽然准确度比较高,但是由于齿盘数和盘齿数不能无限增多,因此细分受到限制。(2) 光学式测角技术用光学方法测量角度,比一般的机械方法有更高的准确度,而且易于细分。

11、目前,国内外用来测角的光学式测角技术主要有光学分度头测角、正多面棱体测角、圆光栅测角、环形激光器测角、激光干涉测角等。光学分度头的规格型号较多，可用来测量角度块、角度样板以及被测量的两侧面的表面粗糙度较小的零件。用光学分度头测量试件,常采用多次测量,用算术平均值作为测量结果,以提高测量的准确度。多面棱体常作为角度基准,用来测量精密光学仪器度盘、高准确度分度蜗轮的误差以及精密机床的分度装置等。它的优点是结构简单、使用方便。缺点是组成棱体的面数受体积及加工工艺的限制,相邻面法线间的夹角不宜太小,亦即组成棱体的面数不宜太多。因此,用它来检定各种圆分度的间隔不能太。圆光栅是目前角度测量的主要器件之一,

12、对于高准确度、高分辨力的角度测量来说,产生能够细分的原始信号是十分重要的。利用圆光栅莫尔条纹现象产生的信号在很大程度上能满足这些要求,特点是它的正弦波形中各次谐波的成分很小。圆光栅测角技术已有广泛应用，因为用作角度基准的光栅可以用平均读数原理来减小分度误差和安装偏心误差,其准确度高而且稳定可靠。利用光栅细分原理组成的测角装置,近年来有很大的提高。将转角大小转换成相应数字代码的装置叫角编码器。角编码器有许多类型,其中最常用的是光电角编码器,光电角编码器两传播方向相反的光束在闭合环路(圆形、角形或其它回路)中行进时,若闭合环路以一定的角速度旋转,则此反向的两光速将产生光程差,且光程差的大小与环路旋

13、转的角速度成正比,这就是赛纳克效应。这一现象为测量角度提供了理论依据,而高稳频激光的出现,又使这一精确的测角方法能应用于实际工作。利用这一现象来测量角度的装置叫环形激光器的输出信号根据取信号的方法分为两种:一种是绝对测量法,另一种是增量测量法。激光由于亮度高、单色性好、方向性好和相干性好等优点,使它在计量科学领域的应用愈来愈广泛。由于角度可以表示成长度之比，而长度的变化又可以激光干涉条纹数的变化来表示,因此在长度测量中准确度最高的激光干涉法在角度测量中的应用日益广泛,技术水平也日趋成熟,尤其在小角度测量方面。目前,干涉测角仪采用的干涉光路大多为迈克尔逊干涉光路,将光程差变换成角度实现测量。它们

14、普遍存在的缺点是必须经过检定,而且测量范围在90º以内。 除了以上介绍的几种光学方法外,利用偏振光、光纤、双频激光测角也有所应用。(3) 电磁分度测角技术电磁分度测角技术电磁分度技术是最近几十年发展起来的新的测角技术,主要是利用各种参数进行分度测角。电磁分度技术大量应用于近一步细分,使分度和测量范围扩大,仪器的分辨力提高,使用范围广泛。主要包括圆磁栅测角和感应同步器测角。在一个圆柱(圆盘)基体的表面上镀上一层磁膜,当圆盘均匀旋转时,把由一标准频率发生器发出的频率极为准确、稳定的正弦波电压信号记录在磁膜上面,磁膜经交流反复磁化,就形成与磁极对应的磁格(N和S两两相对),被录磁圆盘就是以

15、磁波为分度标准的圆磁栅。感应同步器是利用电磁感应原理将位移量转换为电信号,并以数字脉冲形式输出的基准量,它日益广泛地用于角度测量领域3。目前传统角度测量传感器存在一些不足： 精度差； 易受非目标参量影响，稳定性差； 易受噪声干扰，信噪比低，分辨率低，灵敏度低； 尺寸大，响应慢，不太便携4。伴随着各种新技术的不断涌现,角度测量的方法和准确度也在不断完善和提高。国民经济的各个部门都需要各种测角仪器,而各种测角仪器又都需要更高级的角度基准或检定方法来检定。为此，就需要建立高准确度的角度基准或检定方法,角度测量也正是在不断满足这些要求的过程中不断地完善和发展的。随着生产力的发展,科技的进步,角度测量必

16、将向着更高准确度、更高分辨力、更高测量速度的方向发展,测角仪器也将趋于向小型化、智能化发展。1.3 主要研究的内容及其意义 掌握角度、特别是加速度测量角度的原理、方法和特点； 进行角度测量模块初步设计与调试，具体要求为:双通道，测量范围±15°，精度±0.057°； 进行显示模块设计与调试； 进行通信接口模块设计与调试； 在仿真、系统搭建、调试基础上完成整个系统的设计和调试工作。本文基于对国内外角度测量技术的深入分析，将角度测量和单片机控制结合，以单片机STC12C5A60S为核心，运用高性能倾角传感器SCA103T-D04和SPI等串口数据传输技术提出

17、了双通道高精度角度测量仪的设计并应用JCM12864M可实时显示倾角角度。实践应用表明基于SCA103T-D04倾角传感器实现的高精度倾角检测系统设计具有倾角检测方便、精度高、响应速度较快等特点，可广泛应用于高精度测量仪器及智能平衡运动控制系统中。2 设计过程原理和算法2.1 角度测量原理 角度测量包括水平角测量和竖直角测量。从一点出发的两空间直线在水平面上投影的夹角即二面角，称为水平角。其范围：顺时针0°360°之间。在同一竖直面内，目标视线与水平线的夹角，称为竖直角。其范围在0°±90°之间。当视线位于水平线之上，竖直角为正，称为仰角；反之

18、当视线位于水平线之下，竖直角为负，称为俯角。 角度测量的理论基础是牛顿第二定律：根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分算出线加速度，进而可以计算出直线位移，所以它其实是运用的是惯性原理。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了5。2.2 加速度测量角度原理早期对于角参数的测量多采用普通的线加速度计和线位移传感器经过计算推出角参数值。随着科学技术的发展，角加速度传感器的应用越来越广泛，包括建立在测量流动电势基础上的角加速度传感器，

19、利用压电晶体构成的具有角加速度陀螺功能的压电晶体角加速度传感器，利用电阻应变效应制成的应变式角加速度传感器等6。 加速度传感器是倾角传感器的一种，测量值为加速度，测量的目的是得出测量对象的姿态倾角，是将运动或重力测量值转换为电信号的传感器。一般把加速度传感器与信号调理电路集成，组成加速度传感器系统，可用来测量倾角。倾角测量中，加速度传感器的测量单位为g，它是指物体在只受重力的情况下，因重力作用而产生的加速度，称为重力加速度。加速度传感器的分类按照测量范围可以分为低加速度传感器（<10g）和高加速度传感器（>10g）；按照测量轴的数目分为单轴、双轴或多轴加速度传感器。 加速度传感器的

20、工作原理是：敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信号，最后送入计算机，计算机再进行数据存储和显示。当传感元件以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度a成正比的形变，使悬臂梁也随之产生应力和应变。该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。 在一般设计中，加速度传感器在PCB（印刷电路板）上的初始位置要么是水平放置，要么是垂直安装，每种位置都有一个权

21、衡，这在选择时需要考虑。两种测量方式以及对应的测量公式有很大区别，具体倾角测量角度原理和计算方法如下： 水平放置 在测量范围不超过±60º时，一个双轴加速度传感器可以用来测量两个方向的角度。为了测量倾角，往往需要做一些换算，因为加速度传感器的输出仅仅是加载在传感轴上的重力加速度。加速度传感器输出信号和角度之间的关系可由下面的公式给出：（2.1）（2.2）（2.3）（2.4），表示重力加速度输出，表示倾斜角度。可用如下公式计算倾斜角度： 当倾斜角度大于60º时，由于函数的特性，使角度测量出现严重非线性。尤其是测量角度在接近90º时，无法测量。（2.5）（2

22、.6）当测量角度非常小时，公式非常接近线性： 在一些应用场合中，线性公式可以满足精度要求。表2.1是不同角度使用线性近似公式计算得出的误差，要计算每个倾角的K值，需要进行进一步曲线拟合。表2.1 线性近似后倾角误差倾角范围K（º/g）最大误差（º）±10º57.50±0.02±20º58.16±0.16±30º59.40±0.48±40º60.47±1.13±50º62.35±2.24 利用线性模拟，加速度传感器的灵敏度除以K

23、就转化为倾角的灵敏度。假如加速度传感器的灵敏度是1000mV/g，倾角测量范围是±20º，则倾角的灵敏度是：（1000mV/g）/（58.16º/g）=17.2mV/º 垂直放置当需要测量大于90º角度时，可以利用X，Y两个轴的加速度输出信号在0-360º范围内得到很好的分辨率。在这种应用中，单轴加速度信号用来测量单轴的倾角。图2.4显示了加速度传感器从垂直位置的倾斜情况。在图2.4中，加速度信号与倾斜角度的关系如下：（2.7）（2.8） 在上面公式中，所以只要知道和值中的一个就足够了。上面的式2.7也可写成如下形式：（2.9）两式相

24、除可以得到：（2.10） 角可以通过对上面公式求反获得：（2.11）对任何角度，要获得较好的分辨率，垂直放置有额外的优点：通过和相除，可以消除两个轴向上的输出误差；通过这种方法不需要进行温度补偿。热交换原理的加速度传感器的灵敏度随温度的变化有很好的可预测性和重复性，所有两轴都有相同的改变，但经过计算后的结果则不会随温度的改变而改变7。倾角传感器的补偿：图2.1 信号处理过程2.3 SCA103T-DO4工作原理2.3.1 SCA103T-D04测量角度原理高精度倾角传感器SCA103T系列是芬兰VTI科技公司( VTI Technologies Oy ) 开发的3D-MEMS技术新型倾角仪 ,

25、其使用差动测量原理并采用了高度集成电子和成熟的MEMS传感器技术。其高校正精度结合极低的温度依赖性、高分辨率、低噪声且具有过阻尼的传感特性，对高频的振动不敏感性及能承受的20000g的机械冲击和传感元件坚固耐用的设计等特点，使得SCA103T是高精度水平仪器的理想选择。其典型应用是用于高精度测量仪器中,比如水平仪和激光器等。图2.2 SCA103T-D04实物图SCA103T-D04是以单晶硅材料制造的高精度单轴倾角传感器,传感器由三层硅片构成,形成立体结构,当倾斜或者有加速度的时候,中间质量片会倾斜向某一侧,从而两侧的电容由一样变成不一样。测试片两边形成电容,传感器灵敏度高两极之间由玻璃构成

26、绝缘。SCA103T-D04有两个模拟输出和一个数字SPI接口以提供直接信号处理。 SCA103T-D04测量轴内部由两个不同的传感单元组成，在同一测量方向上输出相反的信号，由此输出两个差动的倾角信号，可以用差动放大器处理也可通过微控器处理。信号差分带来非常显著的优点:它能提高产品灵敏度并显著减小共模噪声。在8Hz带宽情况下,模拟信号分辨力是0.001°(20g) , 数字信号分辨力为0.009°/LSB。该产品含有内部温度测量和补偿再加上高于0.014°的长期稳定性,在-2585 范围内,能保证精度偏移小于±0.14°。SCA103T-D04

27、为12脚塑封SMD封装,包含一个微分敏感度为8V/g的±30°版本和一个微分敏感度为16V/g的±15°版本,可应用于单轴倾角仪器和基于倾角的位置测量8。本设计采用微分敏感度为16V/g的±15°版本。 SCA103T-D04测量特点： SCA103T-DO4虽使用两颗传感元件，但两颗元件却测量同一轴，是单轴传感器； 使用两颗传感元件同时测量X轴倾角； 差分信号必须通过硬件处理或者软件算法处理； X方向差分输出； SCA103T-D04倾角传感器拥有集成高性能强大功能MCU的专用电路，全数字化设计，对敏感器件进行了全面的温度补偿、线性

28、补偿，提供各种模拟量、数字量输出信号。其芯片结构如图2.8所示：图2.3 SCA103T内部功能框图数字信号输出角度转换： 和数字寄存器上的加速度测量结果是11位数字形式，数据范围从02048。和数字寄存器在0º位置标称容量为： 二进制：100 0000 0000 十进制：1024 为了获得差分输出结果，必须减去（2.12） 对于倾角的这种差分输出转换关系可以表示为：（2.13） 其中， 表示差分输出结果（） 表示数字补偿值，差分模式标称值为0 表示角度 表示设备灵敏度（SCA103T-D04：6554）2.3.2 SCA103T-D04主要特征 测量范围：0.26g（±1

29、5°） 分辨率0.009°(8 Hz 带宽，数字端输出) 传感单元受过阻尼控制，频率响应 (-3dB 18Hz) 坚固耐用设计高抗振性(20000g) 温度与时间下卓越的稳定性 使用差分测量原理，减小了共模误差和噪声 单电源+5 V供电 公制比例模拟电压输出 数字SPI倾角与温度数据输出 全面的故障自探测功能 符合RoHS要求 可用无铅回流焊加工 SCA103T-D04性能参数如表2.2所示：表2.2 SCA103T-D04性能参数参数名称条件SCA103T-D04单位工作电压 4.755.25V工作电流VDD=5无负载4mA工作温度 -40125degC量程 +/-15度

30、频率响应-3dB828Hz零点输出环比电压输出VDD/2V数字输出1024LSB零点校正误差 +/-0.057度灵敏度 16V/g续表2.2 SCA103T-D04性能参数01度范围内280mV/度灵敏度校正误差 +/-0.5%数字输出灵敏度 6554LSB/g零点温漂-2585degC+/-0.002度/degC -40125degC+/-0.29度线性度测量量程内+/-0.057度数字分辨率 12位01度范围内0.0009度/LSB模拟输出分辨率带宽10Hz0.0013度交叉灵敏度最大4%环比误差VDD=4.755.25V+/-1%长期稳定性连续供电23degC<0.004度 公制比

31、率输出特性： 公制比率输出表示传感器的零点和灵敏度正比于供电电压，如果供电电压波动，SCA103T-D04的输出也会变化。如果SCA103T-D04和其他测量电路如AD转换器使用相同的电压，电压的变化引起的误差能自动地被补偿。 SCA103T-D04电气连接特性： 如果SPI口不用，相关管脚 SCK (pin1), MISO (pin3), MOSI (pin4) 和 CSB (pin7)必须悬空。将逻辑“1” (正电源电压)提供给管脚 ST_1 或ST_2（10脚或9脚）可激活自检测功能，两通道的自检测功能不能同时使用，如果不使用自检测功能，9脚和10脚必须悬空或接GND。倾斜信号从OUT-

32、1和OUT-2脚输出。 SCA103T-D04电气连接如图2.4所示：图2.4 SCA103T-DO4电气连接图表2.3 SCA103T-D04引脚功能说明引脚号引脚名I/O描述1SCKInput 串行口时钟2NC Input未用、保持悬空3MISOOutput 主入从出，串行数据输出4MOSIInput主出从入，串行数据输入5Out_2 Output 输出2（通道2）6GNDSupply 电源地（电源负极）7CSBInput片选信号输入端（低电平有效）8NC Input未用、保持悬空9ST_2Input 自检测输入（通道2）10ST_1Input自检测输入（通道1）11Out_1Output

33、 输出1（通道1）12VDDSupply 正电源供电（+5VDC）电路连接注意事项：SCA103T-D04必须提供良好整流的+5V直流电压。耦合到电源线上的数字噪声必须是最小的，在电源管脚VDD（12脚）与地GND之间必须连接一个100nF滤波电容。SCA103T-D04是公制比率输出，为取得最好的性能，需将SCA103T-D04与数模转换电路使用同一个电压。使用低通RC滤波电路5.11k的电阻和10nF电容连接在SCA103T-D04的输出端降低数字时钟噪声影响。 100nF滤波电容尽可能靠近VDD（12脚），走线尽可能短，电容另一脚直接和地平面相连。GND（6脚）直接和下面的地平面相连。电

34、源和地的平面尽可能的宽，在PCB板上避免狭窄的电源和带状的GND连接8。2.3.3 SCA103T的SPI串行接口 SPI(Serial Peripheral Interface-串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）和低电平有效的从机选择线（CSB）(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。SPI串行接口为主从工作模式，由一个主机和一个或几个从机组成。

35、主机是徽型计算机（单片机），用于发送SPI时钟、命令和传愉数据。在主一从工作模式中,TVI产品的专用集成电路（ASIC）始终是一种从机工作方式9。图2.5 SPI工作逻辑图 SCA103T-D04的SPI接口可设计应用于任何基于SPI总线的微控制器。通信可通过基于SPI接口的软件或硬件电路实现。需要注意的是，在基于SPI接口的硬件电路中，接收的加速度值是11位的，数据转换借助表2.4所示四线制接口。表2.4 SPI接口信息接口名称接口功能MOSI主器件数据输出，从器件数据输入µP SCA103TMISO主器件数据输入，从器件数据输出SCA103T µPSCLK串行时钟，由主

36、器件产生最大为fPCLK/2，从模式频率最大为fCPU/2µP SCA103TCSB芯片选择（低电平有效）µP SCA103T 图2.6 SCA103T-D04典型SPI连接图 SPI控制命令可以是单指令的，也可以是指令和数据的结合。在指令和数据结合的情况下，数据紧跟着SPI指令，同时输入的数据和输出的数据是同步进行的。任何的传输开始于SCB(片选)的下降沿，结束于SCB(片选)的上升沿。在传输的过程中，SCK(串行时钟)和CSB(片选)按照以下的规则控制命令和数据：命令和数据移位输入,MSB（高位）先入LSB（低位）后入。任何输出数据/状态位在 SCK下降沿移位输出（MI

37、SO脚）。 任何数据位都是在SCK上升沿被采样（MOSI脚）。通过CSB下降沿选定设备后,要接收8位命令来设置设备的工作模式。CSB的上升沿停止所有数据传输,并重置内部计数器和指令寄存器。如果接收到无效指令,将没有数据移入片内,MISO仍然处于高阻抗状态,直到CSB 的下降沿被触发，这将会重新初始化串口通信。在所有情况下,当接收到数据被写入SCA103T-DO4内部寄存器的命令后数据被立即持续传送到MOSI。从MISO传输的数据终止于触发SPI命令上一位数据在SCK的上升沿被采样之后的SCK的上升沿。最大的SPI时钟频率500KHz。RDAX和RDAY接收和发送的最大数据传输速率是5300次/

38、s/通道10。 图2.7 SPI接口上的指令和11位加速度数据传输时序2.4 系统总体设计方案2.4.1 系统硬件设计根据设计要求，设计的硬件系统体积尽量小；成本低；方便调试与操作；具有一定精度；在较短响应时间内能够直接显示角度测量结果而无需外接PC等控制机对数据进行处理。基于上述几点考虑，通过对器件的筛选和方案的选择，双通道高精度角度测量仪系统硬件结构如图2.8所示：图2.8 角度测量系统硬件结构角度测量仪硬件系统结构主要模块如下： 倾角传感器SCA103T-D04模块：该传感器主要功能是在微控制器（MCU）的控制下完成数据采集和处理并通过SPI串口传输数据。 滤波电路模块：采用无源滤波，使

39、得耦合到电源线上的数字噪声达到最小。 单片机（MCU）控制模块：MCU是整个硬件控制系统核心，完成各种指令和数据的处理。SCA103T-D04采集到的角度信息经过MCU的处理后通过12864输出。该模块主要包括时钟控制电路、复位电路、数字稳压电路等。 串口通信模块：该模块采用RS-232通信协议，完成硬件系统与计算机的连接，可以对MCU进行在线编程。 显示模块：12864液晶显示器将实时显示经SCA103T-D04采集并由MCU处理过的角度信息。 电源模块：系统不仅可以通过USB串口供电，也可以用外部电源进行供电。2.4.2 系统软件设计系统软件设计主要分为以下几个模块： 系统初始化： 系统设

40、计中涉及SPI、RS232等通信协议，初始化过程需要对相应寄存器进行设置，并进行LCD显示模块和传感器SCA103T-D04的初始化设置。 数据采集和处理模块： 完成对角度传感器角度变化信息的采集和数据的相应处理。 显示模块： 将进过处理过的数据通过12864实时显示出来。 通信模块：通过USB转串口线，PC可以对MCU进行在线编程，同时MCU也可以将采集并处理过的信息传送给PC。3 硬件电路设计 此设计根据测量精度高、实时响应快、连接方便、硬件体积小等要求，在进行硬件电路搭建时首先进行芯片甄选，对应用到的各个芯片进行功能分析和电路设计，之后扩展各个模块的电路，最终形成整个硬件电路系统。再根据

41、PCB（印刷电路板）布线规则并考虑电磁干扰和兼容等因素制成电路板，得到实用的硬件电路系统。3.1 STC12C5A60S2外围电路设计众多的51系列单片机中，STC公司生产的1T增强系列更具有竞争力。因其不但和8051指令、管脚完全兼容，而且片内具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的。STC12C5A60S2单片机内部自带高达60K的FLASH ROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了创作者的劳动成果。重要的一点是目前STC1

42、2C5A60S2单片机的售价与传统51单片机差不多，并且资料较为丰富，是一款高性价比的单片机。3.1.1 STC12C5A60S2基本特点及结构STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。 STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、2个串口、I/O接口、高

43、速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统11。图3.1 STC12C5A60S2单片机管脚图各引脚功能简要介绍如下： VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高；P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1

44、口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊

45、功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)，也是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD(串行输入口)；P3.1 TXD(串行输出口)；P3.2 INT0(外部中断0)；P3.3 INT1(外部中断1)；P3.4 T0(记时器0外部输入)；P3.5 T1(记时器1外部输入)；P3.6 WR (外部数据存储器写选通)；P3.7

46、 RD (外部数据存储器读选通)；同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号；RST：复位输入。振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间；ALE / PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该

47、引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现；EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM;注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)；XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL2：来自反向振荡器的输出 12。3.1.2 STC12C5A60S2最小系统 在智能仪器仪表中，控制核心均为微处理器

48、，而单片机是作为智能仪器仪表微处理器的首选，其结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统。所谓单片机最小系统就是能让微处理器工作所需的最少电路单元的组合。单片机最小系统中主要包括：电源电路、复位电路、时钟电路等。STC12C5A60S2单片机最小系统电路如图3.2所示。图3.2 STC12C5A60S2单片机最小系统电路复位电路：STC12C5A60S2单片机有5种复位方式：外部RST引脚复位；外部低压检测复位(新增第二复位功能脚RST2复位，实现外部可调复位门槛电压复位)；软件复位；掉电复位/上电复位(并可选择增加额外的复位延时200mS，也叫MAX810专用复位电路，其实就是在上电复位后增一

49、个200mS复位延时)；看门狗复位。本文选择第一种复位方式进行设计，其基本工作原理如下：外部RST引脚复位是从外部向RST引脚施加一定宽度的复位脉冲，从而实现单片机的复位。P4.7/RST管脚出厂时被配置为RST复位管脚，要将其配置为I/O口，需在STC-ISP编程器中设置。如果P4.7/RST未在STC-ISP编程器中被设置I/O口，那P4.7/RST就是芯片复位的输入脚。将RST复位管脚拉高并维持至少24个时钟加10us后,单片机会进入复位状态，将RST复位管脚拉回低电平后，单片机结束复位状态并从用户程序区的0000H处开始正常工作。时钟电路：STC12C5A60S2单片机是1T的8051

50、单片机，系统时钟兼容传统8051。STC12C5A60S2单片机有两个时钟源：内部R/C振荡时钟和外部晶体时钟。一般出厂标准配置是使用外部晶体或时钟。芯片内部的R/C振荡器在5V单片机常温下频率是11MHz - 17MHz,因为随着温度的变化，内部R/C振荡器的频率会有一些温漂，再加上制造误差，故内部R/C振荡器只适用于对时钟频率要求不敏感的场合。因此我们选用外部晶振提供系统时钟频率。电源滤波电路：此设计中电源滤波用钽电容与一个非极性电容并联构成。因为钽电解电容具有很低的ESR（等效串联电阻），而非极性电容在高频段具有很低的阻抗，一个低频段滤波一个高频段滤波，两者搭配能够提升总体滤波性能13。

51、3.2 SCA103T-D04模块设计3.2.1 SCA103T-D04温度补偿特性 该芯片资料在第二章已经基本阐述，故在此不再赘述。由于多种物理现象之间相互作用和干扰，所以理想的传感器是不可能设计出来的。SCA103T-D04也是如此，但是从工程实践的角度考虑，我们不能消除影响，但是可以弱化问题，将影响降至可就受范围内。对于外界环境各种干扰，其中影响较大的为仪器本身环境温度。温度可以直接造成倾角传感器加速度量的偏移。本设计中应用的传感器SCA103T-D04内部集成了温度检测模块，从而解决了温度的影响问题。 SCA103T-D04含有内部温度传感器，可以进行内部偏移补偿，也可进行外部补偿。温

52、度传感器是通过SPI接口访问的。温度数据是8-bit字（0-255）。转换公式如式3.1所示：（3.1）14其中，是测量数据，是实际温度。本文设计中选择SCA103T-D04芯片作为角度传感器的另一个原因是其有横轴的概念。当X轴方向角度变化时,Y轴也会相应有角度变化。因为两个轴不可能完全垂直，而SCA103T-D04是单轴倾角传感器，系统设计的硬件是两个传感器在焊接时保持垂直关系，但这几乎是不可实现的，只能尽可能去接近。有了横轴的设定，可以在测量X轴角度时，用横轴的数据进行修正，从而调高采集到数据的精度。3.2.2 SCA103T-D04外围电路图3.3 SCA103T-D04基本外围电路如图

53、3.3所示，电源VDD和地GND之间有型LC无源滤波电路。 LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置，其利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路。除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。无源LC滤波电路不易集成，通常电源中整流后的滤波电路均采用无源电路，且在大电流负载时应采用LC电路。根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图3.3所示。因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗

54、大，因此L应与负载串联。型LC无源滤波电路原理如下：并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用且直流损失小15。3.2.3 SPI接口电路SPI（同步串行接口）是工业标准的同步串行外设接口SPI是一种全双工、高速、同步的通信总线，有两种工作模式：主

55、模式和从模式。其控制总线只需要4根控制线就可以扩展具有SPI的各种I/0器件，因此在工程控制领域有着广泛的应用。SCA103T-D04的SPI串行接口在第二章已经初步阐述，它能够支持任何使用SPI总线的微处理器。通信可以由基于SPI的软件和硬件完成。需要注意的是，在采用硬件SPI的时候，接收加速度数据是11位。数据传输主要采用MOSI、MISO、SCK、CSB四线制接口。图3.4 SPI通信时序逻辑图同步串行通信的通讯程序设计思想的实质就是在时序的配合下，通过对STC12C5A60S2单片机的SPI接口三个寄存器的配置来实现数据通信。这三个寄存器分别是：控制寄存器、状态寄存器、数据寄存器。控制寄存器（SPCR）可以设置SPI口工作时的中断、工作模式、时钟频率等，只要对控制寄存器进行某些赋值就可以实现相应的功能。状态寄存器（APSR）含有SPI中断标志位SPIF,当串行数据发送完成时，中断标志位将会置1，并产生中断。如果从机选择线SS被设置为输入且在SPI口是主机模式时，该标志位将被置低，这时将会设置SPIF标志。SPIF位在执行相应中断向量时被硬件清除。SPI口数据寄存器（SPDR）可以进行读/写，以便用于寄存器文件和SPI移位寄存器之间传递数据。需要注意的是，状态寄存器的第7位SPIF位为SP