基于STM32和舵機(jī)的智能測高儀

本文介紹了一種基于STM32單片機(jī)和舵機(jī)的智能測高儀。該儀器通過激光定位，GY-25傾斜度模塊水平較準(zhǔn)，通過STM32單片機(jī)產(chǎn)生PWM波形，精確控制其占空比，從而精確控制舵機(jī)角度輸出，運用三角形原理得出高度值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合，從而得出高精度的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過試驗驗證，該儀器具有較高的測量精度。

【關(guān)鍵詞】測高 STM32單片機(jī) 舵機(jī) GY-25傾斜度模塊

1 引言

傳統(tǒng)的測量高度方法按是否接觸可分為接觸式和非接觸式。接觸式測量是指用卷尺直接測量高度。接觸式測量比較準(zhǔn)確，但勞動強(qiáng)度大，測量較高的物體很困難，且受物體布置的影響。非接觸式測量主要包括目測、激光測量和超聲波測量等。超聲測量安全、快速、精確度高，但超聲波在空氣中傳播衰減很快，可測量的高度比激光測高儀低，并且硬件成本高。

本文介紹一種成本低、精確高的智能測高儀。該儀器通過線狀激光光源精確其測量軌跡，點狀激光光源進(jìn)行定位，使得測量距離較遠(yuǎn)；通過MPU6050陀螺儀進(jìn)行水平校準(zhǔn)，使得測量角度的0度基準(zhǔn)值更加精確；通過STM32單片機(jī)輸出PWM波形，精準(zhǔn)控制其占空比，使得舵機(jī)的輸出角度精確度較高，從而確保其最終測量角度較為準(zhǔn)確。測量獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過TFT液晶顯示屏進(jìn)行顯示。整個測量過程全部使用按鍵進(jìn)行操作，簡單方便，集成度較高。

2 測量原理和方法

測量原理如圖1所示，測高桿固定高度為1米，點F處固定有點狀光源和線狀光源。當(dāng)被測物體確定后，首先由線狀光源固定其測量軌跡，確保所測高度垂直于水平面，測量軌跡如圖直線CED所示；其次，點狀光源進(jìn)行水平校準(zhǔn)，MPU6050陀螺儀固定于點狀激光燈，待校準(zhǔn)角度位于0度時，固定點狀激光光源，所射光線為射線EF；再次，按下主控板按鍵，點狀激光燈在舵機(jī)控制下，緩慢向上、向下移動，直至到達(dá)被測物體頂端和底端，按下按鍵，舵機(jī)停止，單片機(jī)記錄當(dāng)前位置，進(jìn)而獲得測量角度。最后，按下測量按鍵，TFT液晶屏顯示其高度數(shù)值，根據(jù)三角形幾何原理，高度值為

米。

3 儀器的方案設(shè)計

該測高裝置主要包括機(jī)械測量機(jī)構(gòu)和微控制器控制部分組成，機(jī)械測量機(jī)構(gòu)包括，固定長度的測量桿，其上固定線狀光源和點狀光源，點狀光源連接有MPU6050陀螺儀和舵機(jī)。微控制器連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，微控制器連接有液晶顯示單元、按鍵控制單元、傳感器測量單元、晶振與復(fù)位單元、電源電路單元。

該裝置微控制器采用選擇STM32F103C8T6芯片，工作頻率72MHz，工作速度快，低功耗，芯片集成包括PWM輸出、SPI通訊、USART串行通訊等外設(shè)，使測量更精確、迅速。晶振與復(fù)位單元，使用CAT811芯片對主控芯片進(jìn)行復(fù)位，使用8MHz無源晶體振蕩器作為其主控芯片的晶振。該芯片的最小系統(tǒng)如圖3所示。

該裝置液晶顯示屏選用1.8寸TFT液晶顯示屏幕，與微控制器采用SPI通訊，在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳。GY-25模塊是一款低成本傾斜度模塊，其工作原理是通過陀螺儀與加速度傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法最后得到直接的角度數(shù)據(jù)。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，用來實時的控制點狀光源角度不斷的變化并且可以實時保持。舵機(jī)控制效果是影響測量精確度的重要因素。本裝置采用STM32單片機(jī)輸出的PWM波形精確控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。STM32控制器的定時器產(chǎn)生20ms的定時周期，PWM輸出的占空比分成1024檔進(jìn)行漸變，從而精確控制舵機(jī)的漸變角約為0.18度，進(jìn)而達(dá)到精確控制舵機(jī)角度的目的。

系統(tǒng)運行后，進(jìn)行時鐘初始化、串口初始化、按鍵初始化、定時器PWM初始化、SPI接口初始化、TFT液晶初始化，GY-25模塊輸出水平角度值，TFT液晶屏實時顯示數(shù)值，點狀光源進(jìn)行水平校準(zhǔn)；校準(zhǔn)結(jié)束后，按下按鍵一，舵機(jī)開始從水平位置向上漸漸移動，直到被測物體上側(cè)邊緣，按下按鍵一，舵機(jī)停止，輸出角度1；再次按下按鍵一，舵機(jī)開始恢復(fù)到水平位置并向下漸漸移動，直到被測物體下側(cè)邊緣，按下按鍵一，舵機(jī)停止，并輸出角度2；按下按鍵二，對角度數(shù)值進(jìn)計算處理，TFT液晶屏顯示高度數(shù)值，一個測量過程結(jié)束。

4 測量數(shù)據(jù)處理

5 結(jié)論

本文介紹的基于STM32單片機(jī)和舵機(jī)的智能測高儀，通過激光定位、GY-25水平較準(zhǔn)、按鍵控制舵機(jī)輸出角度、TFT輸出測量高度。實現(xiàn)了一定范圍內(nèi)對物體高度的準(zhǔn)確測量，整個過程采用程序控制，自動化程度高，操作方便，測量精度較高，儀器成本較低，滿足實際的工程應(yīng)用需求。

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作者簡介

公鑫（1993-），山東省臨沂市人。碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

作者單位

山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 山東省青島市 266510