基于STC12C5410AD单片机的倾角测试系统设计

基于STC12C5410AD单片机的倾角测试系统设计摘要转换器、单片机实现高精度倾角并对角度传感器进行了研究；分析了不同角度传感器的特性及应用特点。研究了磁敏角度传感器在拉线式位移传感器的设计与应用，倾角传感器的原理、特点。结果表明角度传感器具有无触点、高灵敏度、接近无限转动寿命、无噪声、高重复性、高频响应特性好等特点，且广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。关键词：STC12单片机;加速度传感器;角度测量\iiAbstractTheanglesensorisstudied;analyzesthecharacteristicsandapplicationofthecharacteristicsofdifferentanglesensor，andthemagneticanglesensorinthedesignandapplicationofGuyeddisplacementsensor,principle,characteristicsoftheinclinationsensor.Theresultsshowthattheanglesensorhasnocontact,highsensitivity,closetolife,nonoise,rotatinginfinitelyhighrepeatability,highfrequencyresponsecharacteristicandsoon,whichiswidelyusedinaerospace,aviation,nationaldefense,scienceandtechnologyandtheproductionofindustryandagricultureandotherfields.Keywords:STC12MCU;AccelerationSensor;Measurementofangle11绪论1.1引言在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器)之一。智能传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。例如,它在机器人领域中有着广阔应用前景,智能传感器使机器人具有类人的五官和大脑功能,可感知各种现象,完成各种动作。在工业生产中,利用传统的传感器无法对某些产品质量指标(例如,黏度、硬度、表面光洁度、成分、颜色及味道等)进行快速直接测量并在线控制。而利用智能传感器可直接测量与产品质量指标有函数关系的生产过程中的某些量(如温度、压力、流量等)。精密倾角度调测是几何量测量的一个重要项目，也是计量科学中发展较为完备的一个分支，在过去的20年中，倾角度调测的精度也提高了10倍多。倾角度调测技术分为静态调测和动态调测两种，某些静态调测技术仍然是动态调测的基础，一些动态调测技术可以实现静态调测。目前，很多重要的测控仪器，如陀螺转台、惯导平台、经纬仪、星体跟踪器、雷达、导弹发射架、空间望远镜、高精度数控机床、机器人等系统中一般都需要角度传感器，用于测量被测物体相对于某基准方位的绝对转角或相对于自身在不同时刻的相对转角、倾角。21.2本文主要工作及章节安排本文以单片机STC12C5410AD单片机为核心搭建硬件平台，使用加速度传感器MMA7260Q测量物体倾斜角度，并利用串口实现数据的传输。并进行了实际实验。本文分五章对研究课题进行阐述：第一章：绪论。阐述课题的背景及意义，研究现状。第二章：倾角测量系统硬件设计。详细介绍了以STCSTC12C5410AD为核心的硬件电路设计，包括倾角采集模块、串行通信模块、微处理器外围电路。重点介绍了基于加速度传感器MMA7260Q的数据采集模块、微处理器模块的电路设计。第三章：倾角测量系统软件设计。重点介绍了下位机程序，包括数据采集程序和数据存储通信程序，并对各个子程序进行了详细介绍。第四章：给出了实验的方法及测试结果，对倾角测试的原理及倾角的计算做出了详细介绍。2倾角测试系统设计2.1硬件功能及总体结构系统由单片机、倾角传感器、键盘编码器、键盘、数码管驱动器和数码管等组成。系统的功能是通过倾角传感器采集角度信息，传送给单片机。通过LED数码管显示时间角度信息。配备有声光报警电路，并通过键盘修改相应参数，通过串口完成与上位机的通信[8,9]。系统结构如图2.1所示。3图2.1系统结构图2.2信号采集模块2.2.1加速度传感器MMA7260Q简介MMA7260Q是一种低成本单芯片三轴向高灵敏度加速度传感器，基于表面微机械结构，集成信号调理电路、单极点低通滤波器和温度补偿部分，并且具有4种不同的灵敏度选择模式。同时它包含一种睡眠模式，MMA7260Q能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆[10]。主要具有以下特点:三轴向加速度测量；测量范围可选：1.5g、2g、4g、6g；低功耗，工作电压：2.2V~3.6V，工作电流500A；休眠模式：3A；封装：16引脚6mm6mm1.45mmQFN封装；高灵敏度：800mV/g（量程为1.5g）；启动时间短：1ms；4低噪音：达到更高的分辨率、更高的精确度。2.2.2结构与原理1．结构MMA7260Q功能框图如图2.2所示。在IC内部主要由双芯片构成，即重力检测单元(负责加速度的侦测)与IC控制单元(负责信号处理)。重力检测单元将检测到的加速度变化量信号送到C-V转换电路，而后进行取样、保持及信号放大处理，最后用低通滤波器滤除高频噪音，在温度补偿处理后即可输出加速度信息。振荡器容压变换器时钟发生器增益滤波X-温度补偿X-温度补偿X-温度补偿G-Cell传感器XOUTYOUTZOUTg-select1g-select2SleepMode控制逻辑EEPROM调整电路VDDVSS图2.2MMA7260Q功能框图2．原理重力感测单元(G-CELL)由基于半导体材料的微机械结构构造而成。物理模型可以构造成一对固定的面板，中间包含一块可移动的面板，如图2.3所示。当系统被给定一加速度时，中间板就会漂移。中间板移动时，它到一边(固定的面板)的距离增加，而到另一边的距离相应地减少，这种距离的变化可用来表征加速度。G-CELL的面板构成了两个背对背的电容，当中间面板随着加速度移动时，两个面板之间的距离就会改变，因此电容值也随之改变，C=Aε/D。这里A是指面板面积，ε是介电常数，D是面板间距。在ASIC（专用集成电路）(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)中使用开关电容测量出G-CELL的电容5值，并从他们的差值中解析出加速度数据。ASIC再进行信号调理和信号滤波(使用开关电容)，最后输出正比于加速度的电压。1230d0d图2.3简化的换能物理模型灵敏度选择(g-Select):根据g-Select1、g-Select2两脚输入电平的不同，MMA7260Q具有4种灵敏度选择模式，如表2.1所示。根据不同的产品应用可以选择不同的灵敏度，而且在应用时可以任意改变。睡眠模式(SleepMode):当要提供MMA7260Q12引脚(SleepMode)低电平时，传感器在低功耗模式下运行，此时运行电流仅为3μA。当提供其高电平时，传感器就会保持正常的运行模式。表2.1MMA7260Q灵敏度选择模式g-Select1g-Select2g值灵敏度001.5g800mV/g012g600mV/g104g300mV/g116g200mV/g可按照下面规则选择g值：1.5g适合自由落体或精确的倾斜补偿应用；2g适合手持式运动检测或游戏控制；4g适合与低震动监控、运输和处理；6g适合高震动监控与较高的震动读取。2.2.3倾角测试模块电路设计MMA7260Q的供电电压在2.2～3.6V之间，输出信号在0～3V以内，电源本采用3.3伏电压供电，而且输出的信号可直接输入STC12的A/D通道而不必对信号电压进行变换。MMA7260Q与STC12单片机的接口电路如图2.4所示。6Z100UFXYMMA7260G-selsect1G-selsect2VSSVDDNCNCNCNCNCNCNCNCXOUTZOUTYOUTSleepModeREG1117-3.3REG1117-3.3INGNDOUTOUTC17C160.1NFC1910UFC200.01NFVCCC140.1UF0.UF0.UF0.UFC11C12C13R22R23R241K1K1KP2.7图2.4接口电路图本文应用中选择g值为1.5g，加速度传感器灵敏度选择引脚g-select1、g-select2全部接为低电平。计算公式如公式2-1所示。offV=1.65（2-1）VG=800mv/g，outV=0.85~2.45之间变化给MMA7260Q的12引脚（SleepMode）提供高电平，即不是工作在睡眠模式。MMA7260Q内部使用开关电容作为滤波器，为降低时钟带来的噪声，在输出通道上采用简单的RC滤波，在输出通道上使用1kΩ的电阻和0.1μF的电容构成RC滤波器即可(如图5，XOUT、YOUT、ZOUT)。另外，A/D采样率的选择不能干扰加速度计采样频率(11kHz)，以防混叠误差。72.3LED显示模块2.3.1SPI简介1．SPI简介串行外设接口（SerialPeripheralInterface，简称SPI）实际上是一种串行总线接口标准，SPI方式可允许同时同步接收和传送8位数据，是一种全双工串行总线。其速度比UART串行接口要快。SPI支持在同一总线上将多个从机连接到一个主机。同一总线上也可以有多个主机，当两个或多个主机试图同时进行数据传输时，需要进行碰撞检测[11]。STC12C5410AD单片机集成了SPI接口，它是一个全双工高速同步通信接口，既可以和其他微处理器通信，也可以与具有SPI兼容接口的器件，如存储器、A/D转换器、D/A转换器、LED或LCD驱动器等进行同步通信。SPI也可以在一个多主机系统中负责内部处理器之间的通信。SPI接口有两种操作模式：主模式和从模式。在主模式中支持高达3Mbit/s的速率（工作频率为12MHz时，如果CPU主频采用20MHz到36MHz，则可更高）；从模式时速度无法太快，速度在fosc/8以内较好。此外，SPI接口还具有传输完成标志和写冲突标志保护功能。SPI接口由MISO（与P1.6共用）、MOSI（与P1.5共用）、SCLK（与P1.7）和/SS（与P1.4共用）4根信号线构成。2．SPI接口的数据通信过程在SPI中，传输总是由主机启动的。作为主机时，如果SPI使能（SPEN=1）并选择作为主机，主机对SPI数据寄存器的写操作将启动SPI时钟发生器和数据的传输。在数据写入SPDAT之后的半个到一个SPI位时间后，数据将出现在MOSI引脚。需要注意的是，主机可以通过将对应器件的/SS引脚驱动为低电平实现与之通信。写入主机SPDAT寄存器的数据从MOSI引脚移出发送到从机的MOSI引脚。同时从机SPDAT寄存器的数据从MISO引脚移出发送到主机的MISO引脚。传输完一个字节后，SPI时钟发生器停止，传输完成标志（SPIF）置位并产生一个中断（如果SPI中断使能）。主机和从机CPU的两个移位寄存器可以看作是一个16位循环移位寄存器。当数据从主机移位传送到从机的同时，数据也以8相反的方向移入。这意味着在一个移位周期中，主机和从机的数据相互交换。2.3.2显示功能设计系统当前角度，角度下限值和时间都采用LED数码管来显示。显示当前角度用到4位数码管，显示上下限报警值时要同时显示，用