基于STM32的高精度角度檢測儀的設計

杜鋒　李本登

摘要：針對現有角度測量裝置測量精度低，實時數據差，抗沖擊能力弱，測量環境靈敏度差，可操作性差的問題，采用 STM32高性能單片機設計了高精度角度測量儀，通過角度測量電路，補償電路和 GPRS無線通訊電路的設計。實現了通過GPRS無線數據傳輸從角度數據收集和存儲數據到客戶端的功能。有效地提高了角度測量的效率。高精度單軸測斜儀SCA103T作為角度傳感器，提高了測量的精度和靈敏度。

關鍵詞：STM32;高精度;無線數據傳輸;SCA103T

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0245-02

1 項目背景

角度計用作許多控制系統中的瞄準部件的手段。在過往的控制系統中，大都是靠操作人員的經驗或者利用傳統的機械式測角儀，傳統的機械式測角儀利用分度盤來進行角度測量，而分度盤不能無限增加，從而受到限制，嚴重影響控制系統的測量要求。角度測量儀可以方便地顯示前后角度差，減少了工人的專業要求，提高了生產效率，有利于提高產品質量和安全性。因此，有必要研究一種合適的角度測量方法。

本項目主要應用于橋梁建設打樁垂直度的測量、具有很強的實用價值。由于之前的產品測量精度只能達到±0.01?，不能滿足用戶對角度測量精度的要求。因此，通過本創新項目，能夠提升角度測量精度。

2 設計方案

角度測量是計量科學的重要組成部分，廣泛應用于工業領域。本文所描述的角度測量儀使用STM32F103作為數據處理的核心單元。這是一款帶有Cortex-M內核的低功耗，高速度的32位處理器。角度測量模塊使用的是高精度、低功耗角度傳感器 SCA103 T，能將角度轉換成16位數字輸出或-5 V～+5 V的直流電壓輸出，對應的測量角度為-15?～+15?，通過給定的算法和數字低通濾波后即可計算出當前的傾斜角度值。此角度值可以直接在液晶上顯示或者通過通信模塊直接傳送到用戶客戶端上，便于操作。

2.1所用角度傳感器特點簡介

高精度單軸測斜儀SCA103T系列是基于3D MEMS的單軸測斜儀，可提供一流的儀器性能。傳感器的傳感元件在測量時需要與測量平臺平行，并且必須彼此垂直。 低溫度，高分辨率，低噪聲和強大的傳感元件設計使SCA103T成為角度測量儀器的最佳選擇。此外，傾斜傳感器具有一定程度的抗振性，因為它們增加了部件內部的阻尼感測，使其能夠承受高達20，000g的機械沖擊力。

2.2方案具體實施措施

本角度測量儀主要從以下幾個方面入手：

1）角度傳感器信號處理電路與數據采集電路的相關設計。使傳感器能夠在極端環境中能夠保持數據的準確性

2）通過相關程序設計和硬件的優化以減少儀器對于外在因素的影響，主要是通過添加溫度補償電路以及在程序中添加溫度補償算法;

3）主控制器驅動部分，人機交互部分包括按鍵部分和顯示部分;

4）GPRS無線通信模塊的增加以及冷啟動控制電路的創新，通過GPRS無線通訊模塊實現遠程監控的功能，冷啟動控制電路能夠降低系統總體的功耗。

3 硬件設計

高精度角度檢測儀的硬件系統包括：模擬信號輸入電路、模擬信號處理電路、GPRS無線通訊電路，以及按鍵電路顯示電路。但是，每個電路的具體實施方法又與相關技術的功能、成本、發展程度相結合。該角度測量儀要求能夠實現數據的在線監測以及實時數據傳輸功能。整體電路包括角度傳感器的電源電路設計，信號處理電路設計，按鍵電路的設計，溫度補償電路的設計，顯示電路的設計和GPRS無線通訊電路的設計。整體設計如圖2所示。

3.1信號處理電路設計

信號處理分為兩個：一是對溫度的測量，二是對角度信號的測量。

1）通過在傳感器中封裝熱敏電阻，通過恒流源為熱敏電阻提供穩定的電流，產生電阻器兩端的電壓降，在測量電阻電路后，獲得熱敏電阻的實際電阻值，然后完成熱敏電阻的溫度特性，將電阻值轉換為溫度[5];

2）通過穩定的直流5V電源進行供電，避免因數字耦合產生的噪聲對其測量信號的影響。同時為了使 SCA103T獲得最佳性能的比例輸出，使用了5.11千歐電阻和由10 nf電容組成的低通 RC濾波器可最大限度地降低時鐘噪聲對其輸出的影響。最后，信號由外部儀表放大器放大并發送到微控制器進行處理。

3.3冷啟動控制電路設計

冷啟動控制電路功能通過系統軟硬件共同協調工作來實現，當外部按鍵被按下時，內部軟件能夠實現系統開關自動上鎖，當外部按鍵松開時，內部軟件實現能夠實現開關自動解鎖，從而實現了系統的低功耗功能。

4 軟件設計

為了更便于軟件相關調試和進行后期維護，軟件使用結構化程序設計方法。根據本軟件設計的需求，需要進行對信號測量程序的設計，無線數據傳輸協議的設計，顯示驅動的設計以及按鍵驅動的相關設計。使用STM32單片機作為數據處理中心負責對數據的處理、顯示以及傳輸。同時為GPRS無線通訊模塊編寫相關通信協議，并控制角度測量儀器的數據通過其進行無線傳輸。

4.1 主程序設計

主程序設計首先讀取測量信號并通過A / D轉換讀取溫度值以補償數據。 其次，冷啟動控制電路的軟件設計，使軟硬件共同配合用于實現冷啟動功能。對GPRS無線通訊模塊的初始化，并將系統測量數據通過GPRS通信協議無線傳輸到上位機。上位機進行數據的實時檢測和相關命令的控制。具體設計步驟如圖4所示。

4.2 GPRS無線通訊協議設計

GPRS無線通訊功能首先需要編寫相關串口的驅動程序，使它能夠實現串口的開關和讀寫，最后利用其驅動編寫GPRS無線通訊模塊的數據傳輸等功能。利用STM32單片機對GPRS無線通訊模塊進行數據傳輸、控制等命令。利用GPRS無線通訊模塊的DTU模式，對測量數據進行無線網絡傳輸到上位機，使上位機實現了無線數據的實時監測和相關命令的控制。

5 結束語

利用單片機技術，使以STM32單片機作為角度傳感器的控制中心的設計能夠實現角度測量功能以及對數據的無線傳輸功能。根據對角度傳感器工作原理的相關研究，優化了相關的信號調理電路。設計了溫度補償電路用于減少角度傳感器對于溫度的影響，從而提高了本角度檢測儀的測量精度。GPRS數據通信實現了數據的遠程測量和控制，增強了實時數據傳輸。通過設計了冷啟動控制電路，進一步降低了系統總體的功耗。綜上所述，該角度測量儀能夠提高數據監控效率，對于極端環境有一定的適應能力，有利于各種應用場合的使用，具備良好的應用價值。

參考文獻：

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[2] 陳立春.儀器分析[M].北京：中國輕工業出版社，2002.

[3] 陳照章，朱湘臨.光電測速傳感器及其信號調理電路[J].傳感器技術，2002（7）.

[4] 王再英，劉淮霞，陳毅靜.過程控制系統與儀表[M].北京：機械工業出版社，2007.

[5] 杜鋒，范英龍.振弦傳感器讀數儀的改進設計[J].時代農機，2018（9）.

【通聯編輯：朱寶貴】