無線雙軸傾角傳感器的設計

王 超， 徐曉輝， 郭 濤， 閆明明

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室;儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051;

2.洛陽理工學院工程訓練中心，河南洛陽 471023)

0 引言

隨著MEMS技術的飛速發展，體積小、精度高、價格低的優點使得MEMS傾角傳感器成為傾角測量儀器的首選［1］。尤其在國防軍事上車載雷達、導彈發射車的調平領域。發射導彈前，升起車載雷達進行掃描，發現目標后鎖定，然后攻擊，雷達工作時用液壓支腿將車頂起，調整為水平，并在規定的范圍內保持一定的精度。雷達工作時天線及波束掃描要有一個起始位置，調平就是使此位置固定，從而使測量精度真實可靠。調平導彈發射車的主要目的是賦予導彈一定精度的初始角度，使導彈發射后能快速、準確地射入制導雷達波束而截獲，從而使導彈盡快受控，防止發射截獲失敗等事故［2］。本文設計的無線傾角傳感器在許多人工很難達到的測量現場都可以進行測量，同時無線傾角傳感器可被用于復雜惡劣的工作環境進行信號采集，有很強的應用價值，應用前景十分廣闊［3］。

1 角度測量原理

角度傳感器是基于重力加速度原理而設計的，由于重力加速度g方向豎直向下，當空間平面水平與g垂直，g在平面上的投影則為0;如果空間平面不水平，即與g不垂直時，g在該空間平面上的投影不為0。

如圖1所示，通過加速度傳感器感應軸上的重力加速度，經過轉換可得到平面傾角。傳感器輸出與重力之間存在下列關系:

式中:AX為加速度傳感器輸出;g是以重力作為參考的加速的值;α代表傳感器傾角。傳感器測試到加速度，輸出帶有加速度信息的電壓信號，即可以表征角度。

圖1 測量原理圖

在加速度原理的基礎上實現角度測量，它以重力為輸入矢量來決定物體在空間的姿態，這里即指物體的角度反應［4］。把加速度傳感器固定在物體的水平面上，當物體角度改變時，加速度傳感器的敏感軸隨之轉動一定角度，由于重力的作用，傳感器敏感軸上的加速度會發生改變，因此可以通過測量加速度的變化來反映物體的角度偏轉。

2 方案設計

雙軸加速度傳感器ADXL202可用來測量二維加速度信號，同時也可測量傾角信號。將采集到的信號傳輸進單片機進行分析、處理和數據計算，得到的傾角數據經由無線發射電路發送出去，無線接收模塊檢測的同頻率的信號并接收數據［5］。

如圖2所示，無線雙軸傾角傳感器主要包括傳感器模塊、單片機、顯示模塊、無線模塊4部分。

圖2 系統設計框圖

(1)傳感器模塊。設計MEMS傳感器的外圍電路，使傳感器能輸出數字信號。本系統采用ANALOG DEVICES公司的ADXL202芯片。

(2)單片機。系統的控制中心，完成數據處理、輸出顯示數據。本系統采用了STC公司的STC89C52單片機作為控制核心。

(3)顯示模塊。該模塊作用是使用LCD將輸出的X軸和Y軸的傾角顯示出來。

(4)無線模塊。無線收發電路是將單片機處理后的數據發送并接收，本系統采用了TI公司的CC1110芯片作為無線模塊核心。

2.1 傳感器模塊

本設計選用ADXL202作為傾角測量的傳感器芯片［6］。Xfilt與Yfilt為傳感器的模擬輸出端;Xout與Yout為數字輸出端，ADXL202可輸出數字信號并直接傳輸給微處理器，而無需A/D轉換或附加其他電路。

本設計中把傳感器輸出數字信號的兩個引腳Xout、Yout直接接到單片機的兩個I/O引腳上，通過檢測引腳上高低電平的持續時間來計算其占空比，再進一步計算其加速度值，進而可以轉換得到傾角值。傳感器部分的外圍電路如圖3所示。

圖3 傳感器外圍電路

2.2 控制模塊

選用STC89C52單片機作為設計電路的控制部分，傳感器測得傾角信號輸入到單片機，在單片機中進行計算和轉換，最后得到測量的傾角值。單片機系統電路如圖4所示。

2.2.1 復位電路

單片機的復位電路有上電復位和手動按鈕復位兩種形式，RESET端的高電平直接由上電瞬間產生高電平則為上電復位;若通過按鈕產生高電平復位信號則稱為手動按鈕復位。單片機的復位電路非常重要，如果復位端RESET電平不穩定將直接導致單片機的工作異常［7］。因此，復位電路既要保證電平穩定又要滿足單片機復位信號的延時要求。

圖4 單片機系統電路圖

2.2.2 程序下載電路

選用MAX232作為USB轉串口芯片，MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路，使用+5V單電源供電。內部結構基本可分3部分:

(1)電荷泵電路。由1～6腳和4只電容構成。功能是產生+12 V和－12 V兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。

(2)數據轉換通道。由7～14腳構成兩個數據通道。其中 13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)為第一數據通道;8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10 腳(T2IN)、7 腳(T2OUT)為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭;DP9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。

(3)供電。15腳GND、16腳VCC(+5 V)。設計電路如圖5所示。

2.3 顯示模塊

將經單片機轉換得到的傾角值在顯示模塊上顯示，顯示模塊選用LCD1602作為顯示芯片，LCD1602功耗低、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統中［8］。使用單片機對LCD進行控制顯示，單片機的P1口作為數據端，P2口作為控制端。顯示模塊的電路如圖6所示。

圖5 程序下載電路圖

2.4 無線收發模塊

無線收發模塊分為發送模塊和接收模塊兩部分［9］，發送模塊和接收模塊電路大致相同，RF無線模塊由無線單片機CC1110和RF天線電路組成。

2.4.1 無線單片機CC1110

CC1110是一種低成本真正的無線SOC，為低功耗無線應用而設計［10］。該芯片包含了一個標準的增強型8051MCU和一個無線收發芯片CC1100，被封裝在一個6 mm×6 mm的芯片中。8051MCU自帶32 KB Flash和4 KB RAM。

無線通信主要工作在315、433、868和915 MHz的ISM(工業，科學和醫學)和SRD(短距離設備)頻率波段，在ISM頻段可自由地設置為300～348 MHz、391～464 MHz和 728 ～928 MHz［11］。

CC1110的RF射頻收發器集成了一個高度可配置的調制解調器。這個調制解調器支持不同的調制格式，其數據傳輸率可達500 kb/s［12］。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，使性能得到提升。

CC1110結合一個高性能433 MHz、868/915 MHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器［13］。該芯片延用了以往TI公司ZigBee無線(定位)芯片CC2430/CC2431架構，它使用1個8位MCU(8051)，具有32 KB可編程閃存和4 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128協同處理器、看門狗定時器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳［14］。

CC1110芯片工作時的電流損耗為16 mA;速率為1.2 kBaud，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于16.2 mA 或16 mA;速率為2.4 kBaud，CC1110 休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用［15］。

2.4.2 無線模塊設計

無線模塊由單片機CC1110和RF天線電路組成。CC1110的兩個引腳 P1_0、P1_1外接兩個發光二極管，作為無線通信的閃爍標志;RF_N、RF_P引腳外接天線做無線收發使用，23腳(RF_P)在 RX期間向LNA輸入正向射頻信號，在TX期間接受來自PA的輸入正向射頻信號;24腳(RF_N)在RX期間向LNA輸入負向射頻信號，在TX期間接受來自PA的輸入負向射頻信號;X1、X2提供系統工作單片機需要的晶振，其中 X2是32.768 kHz的 XOSC，X1是32MHz的晶振;DVDD外接2.0～3.6 V電源供電，其中2腳為I/O供電，19腳、22腳、25腳、26腳、29腳為模擬電路的連接供電;27引腳(RBIAS)接電阻為參考電流提供精確的偏置電阻;31腳是復位引腳，連接一個復位電路，設計電路如圖7所示。

圖7 無線模塊電路圖

3 系統程序設計

3.1 單片機控制模塊程序設計

利用單片機對傳感器傳輸的信號進行處理和計算，程序流程如圖8所示。

3.2 無線模塊程序設計

主要內容包括CC1110芯片的初始化、數據發送和接收。

圖8 單片機程序流程圖

3.2.1 RF 配置函數

配置函數規定了無線收發模塊的收發頻率、發送功率、無線傳輸速率、無線收發模式、調制方式以及數據長度等［16］。CC1110 可以工作于 315、433、868/915 MHz。

本設計中，CC1110工作于433 MHz，傳輸速率為250 kHz，GFSK調制方式，540 kHz接收濾波帶寬。

3.2.2 RF 發送程序

發送模塊主程序首先初始化8051MCU和無線射頻部分CC1110模塊。點亮LED，表示系統進入等待狀態。發送模塊進入程序循環，把數據發送出去，LED閃爍一次。發送流程如圖9所示。

圖9 RF發送流程

3.2.3 RF 接收程序

接收模塊主程序首先初始化8051MCU和射頻部分CC1110模塊，然后點亮LED，系統進入等待狀態，監視空氣中的無線信號，判斷是否有發送來的數據包，如果有，LED狀態取反。接收流程如圖10所示。

圖10 RF接收流程

無線收發模塊主要實現的功能是:發送模塊上電復位以后，進入無線通信狀態，點亮紅燈，進入無線發送狀態，發送模塊開始發送一個數據包，紅燈閃爍一次。接收模塊上電復位以后進入無線通信狀態，點亮紅燈，進入無線接收狀態，接收到數據紅燈閃爍一次。

4 實驗驗證

利用三軸位置轉臺對設計的無線傾角傳感器進行標定試驗，轉臺精度為0.01°。試驗結果如表1所示。從表中可以看出，最大角度誤差為±0.03°，測量精度較高，滿足大多數領域對角度測量精度的要求。

表1 試驗標定結果

5 結語

介紹了MEMS傾角傳感器與無線傳感器網絡結合設計的無線雙軸傾角傳感器，本設計具有微型化、低價格、高精度等特點。本設計采用傾角傳感器的數字輸出信號進行處理，避免了模擬信號處理過程中可能出現的噪聲、干擾等不利因素。試驗結果表明，本設計可以應用在頻率變化較為緩慢、加速度不太大的角度測量領域。

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