基于單片機的一種新型角度傳感器的設計

張希元　蘇蓓蓓　闞永恒

[摘要]本文介紹了具有兩種不同模擬量值輸出的角度傳感器。傳感器芯片檢測到角度值后，由單片機轉化為數字量，再經過DA轉化，輸出模擬量。通過設置，可實現0～5V電壓輸出或者4～20mA電流輸出。

[關鍵詞]角度傳感器；單片機；模擬量

1前言

角度傳感器廣泛應用于工程與農用機械、儀器儀表、土木工程、船舶、航空航天、工業自動化、衛星天線定位、平臺運轉監控、地質勘探、四輪定位系統等領域。其輸出通常分為數字量輸出和模擬量輸出，數字量方式通過232、485、TTL等方式以BCD碼輸出，模擬量輸出電流或者電壓值，根據行業標準，默認電壓方式是-90度對應0V，+90度對應5V，中間狀態角度與電壓呈線性關系；默認電流方式是-90度對應4mA，90度對應20mA，中間狀態角度與電流呈線性關系，如圖1所示。

常見的模擬量輸出角度傳感器是分立式設計，即分為電壓輸出式和電流輸出式兩種，生產制造和用戶使用都不方便，本項目設計一款電壓和電流輸出一體的角度傳感器，可通過軟件設置為0～5V電壓輸出或者4～20mA電流輸出。

2設計思路

本設計主要包括傳感器芯片模塊、單片機控制模塊、通信模塊和模擬量輸出模塊。傳感器芯片模塊用于檢測角度值，在單片機的控制下轉化為數字量，再通過模擬量輸出模塊輸出0～5V電壓或者4-20mA電流值。通信模塊主要有三個作用，一是給單片機下載程序，二是可同時輸出數字量，三是可通過電腦軟件設置輸出模式，通過電腦軟件向單片機發送不同指令后，單片機選擇工作在電壓輸出模式或電流輸出模式。

3主要硬件電路設計

主控芯片選擇STM32F103C8T6單片機，主要是考慮到三個方面，一是該芯片綜合性能優越，二是該芯片的超低功耗特性，三是該芯片價格優惠，在產品量產后，便于控制生產成本。

傳感器芯片采用ADXL345芯片，它可以測量與重力方向夾角，從而確定物體偏轉的角度。不同角度下，傳感器芯片引腳輸出不同的電壓值，單片機引腳將這些電壓值采集后轉化為數字值，即可得傳感器當前的角度情況。

本設計的核心部分是模擬量輸出模塊，主要通過AD5412芯片實現，該芯片是低成本、精密、完全集成、12/16-bit數模轉換器（DAC），內置可編程電流源和可編程電壓輸出，設計用于滿足工業過程控制應用的需要。輸出電流范圍可編程設置為4-20 mA、0-20 mA或者超量程的0-24mA。電壓輸出由一個獨立引腳提供，該引腳可配置成0～5V、0～10 V、±5 V或±10 V輸出；所有范圍均提供10%的超量程。在電流模式和電壓模式下，總輸出誤差典型值均為+0.01%。其性能與本設計要求完全匹配，且其性能優越，是本設計的最佳選擇。其電路如圖2所示（以x軸方向為例）。

與單片機相連的一共有6個引腳，CLESEL引腳為選擇電壓輸出清零值，零電平或中間電平。CLEAR為高電平有效輸入。置位此引腳可將電流輸出設置為選定范圍的最低值或將電壓輸出設置為用戶選定值（零電平或中間電平）。LATCH上升沿將輸入移位寄存器數據并行載人到DAC寄存器，同時更新輸出。SCK為串行時鐘輸入。數據在SCLK的上升沿輸入移位寄存器。MOSI為串行數據輸入。數據在SCLK的上升沿有效。MISO為串行數據輸出。用于在菊花鏈模式或回讀模式下從串行寄存器逐個輸出數據。數據在SCLK的上升沿時有效。

電壓輸出引腳為21引腳Vout，輸出電壓值，電流輸出引腳為19引腳Iout，輸出電流值，采用共地模式輸出。

4軟件設計

在軟件設計中，采用模塊化編程，主要包括了以下部分，如圖3所示。

傳感器芯片上電后，根據角度變化，會產生一定范圍的電壓信號，MCU將此電壓信號采集后，設計AD轉換程序，轉化為數字信號，該數字信號既實現與計算機上位機之間通信，又是模擬量輸出的源頭。計算機上位機軟件接收到的是MCU處理后的數字信號，該數字信號是BCD碼形式的十六進制數，直接提取有效數據顯示即可。同時，在配套的上位機軟件中，可以通過指令設置，實現是電流輸出，還是電壓輸出的選擇。

本設計中程序設計的關鍵內容是模擬量輸出部分的程序，首先，設計條件編譯模塊，當MCU接收到不同指令時，MCU決定是電流輸出，還是電壓輸出。其次，對AD5412編程，通過DA轉化，實現將反應角度的數字信號，與模擬量的電壓、電流對應起來。

程序中還設置了看門狗指令，如果AD、DA轉化中出現錯誤，程序馬上恢復到重新運行，確保傳感器工作穩定。

5結語

本設計實現了可同時實現電壓、電流模擬量輸出的一種傾角傳感器，減少了制作成本，給實際工作帶來了便利。經實際測試，本設計效果良好，且具有制作成本低、工作穩定、壽命長等優點，公司量產后逐步推向市場。