基于STM32的高精度角度检测仪的设计

杜锋　李本登

摘要：针对现有角度测量装置测量精度低，实时数据差，抗冲击能力弱，测量环境灵敏度差，可操作性差的问题，采用 STM32高性能单片机设计了高精度角度测量仪，通过角度测量电路，补偿电路和 GPRS无线通讯电路的设计。实现了通过GPRS无线数据传输从角度数据收集和存储数据到客户端的功能。有效地提高了角度测量的效率。高精度单轴测斜仪SCA103T作为角度传感器，提高了测量的精度和灵敏度。

关键词：STM32;高精度;无线数据传输;SCA103T

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0245-02

1 项目背景

角度计用作许多控制系统中的瞄准部件的手段。在过往的控制系统中，大都是靠操作人员的经验或者利用传统的机械式测角仪，传统的机械式测角仪利用分度盘来进行角度测量，而分度盘不能无限增加，从而受到限制，严重影响控制系统的测量要求。角度测量仪可以方便地显示前后角度差，减少了工人的专业要求，提高了生产效率，有利于提高产品质量和安全性。因此，有必要研究一种合适的角度测量方法。

本项目主要应用于桥梁建设打桩垂直度的测量、具有很强的实用价值。由于之前的产品测量精度只能达到±0.01?，不能满足用户对角度测量精度的要求。因此，通过本创新项目，能够提升角度测量精度。

2 设计方案

角度测量是计量科学的重要组成部分，广泛应用于工业领域。本文所描述的角度测量仪使用STM32F103作为数据处理的核心单元。这是一款带有Cortex-M内核的低功耗，高速度的32位处理器。角度测量模块使用的是高精度、低功耗角度传感器 SCA103 T，能将角度转换成16位数字输出或-5 V～+5 V的直流电压输出，对应的测量角度为-15?～+15?，通过给定的算法和数字低通滤波后即可计算出当前的倾斜角度值。此角度值可以直接在液晶上显示或者通过通信模块直接传送到用户客户端上，便于操作。

2.1所用角度传感器特点简介

高精度单轴测斜仪SCA103T系列是基于3D MEMS的单轴测斜仪，可提供一流的仪器性能。传感器的传感元件在测量时需要与测量平台平行，并且必须彼此垂直。 低温度，高分辨率，低噪声和強大的传感元件设计使SCA103T成为角度测量仪器的最佳选择。此外，倾斜传感器具有一定程度的抗振性，因为它们增加了部件内部的阻尼感测，使其能够承受高达20，000g的机械冲击力。

2.2方案具体实施措施

本角度测量仪主要从以下几个方面入手：

1）角度传感器信号处理电路与数据采集电路的相关设计。使传感器能够在极端环境中能够保持数据的准确性

2）通过相关程序设计和硬件的优化以减少仪器对于外在因素的影响，主要是通过添加温度补偿电路以及在程序中添加温度补偿算法;

3）主控制器驱动部分，人机交互部分包括按键部分和显示部分;

4）GPRS无线通信模块的增加以及冷启动控制电路的创新，通过GPRS无线通讯模块实现远程监控的功能，冷启动控制电路能够降低系统总体的功耗。

3 硬件设计

高精度角度检测仪的硬件系统包括：模拟信号输入电路、模拟信号处理电路、GPRS无线通讯电路，以及按键电路显示电路。但是，每个电路的具体实施方法又与相关技术的功能、成本、发展程度相结合。该角度测量仪要求能够实现数据的在线监测以及实时数据传输功能。整体电路包括角度传感器的电源电路设计，信号处理电路设计，按键电路的设计，温度补偿电路的设计，显示电路的设计和GPRS无线通讯电路的设计。整体设计如图2所示。

3.1信号处理电路设计

信号处理分为两个：一是对温度的测量，二是对角度信号的测量。

1）通过在传感器中封装热敏电阻，通过恒流源为热敏电阻提供稳定的电流，产生电阻器两端的电压降，在测量电阻电路后，获得热敏电阻的实际电阻值，然后完成热敏电阻的温度特性，将电阻值转换为温度[5];

2）通过稳定的直流5V电源进行供电，避免因数字耦合产生的噪声对其测量信号的影响。同时为了使 SCA103T获得最佳性能的比例输出，使用了5.11千欧电阻和由10 nf电容组成的低通 RC滤波器可最大限度地降低时钟噪声对其输出的影响。最后，信号由外部仪表放大器放大并发送到微控制器进行处理。

3.3冷启动控制电路设计

冷启动控制电路功能通过系统软硬件共同协调工作来实现，当外部按键被按下时，内部软件能够实现系统开关自动上锁，当外部按键松开时，内部软件实现能够实现开关自动解锁，从而实现了系统的低功耗功能。

4 软件设计

为了更便于软件相关调试和进行后期维护，软件使用结构化程序设计方法。根据本软件设计的需求，需要进行对信号测量程序的设计，无线数据传输协议的设计，显示驱动的设计以及按键驱动的相关设计。使用STM32单片机作为数据处理中心负责对数据的处理、显示以及传输。同时为GPRS无线通讯模块编写相关通信协议，并控制角度测量仪器的数据通过其进行无线传输。

4.1 主程序设计

主程序设计首先读取测量信号并通过A / D转换读取温度值以补偿数据。 其次，冷启动控制电路的软件设计，使软硬件共同配合用于实现冷启动功能。对GPRS无线通讯模块的初始化，并将系统测量数据通过GPRS通信协议无线传输到上位机。上位机进行数据的实时检测和相关命令的控制。具体设计步骤如图4所示。

4.2 GPRS无线通讯协议设计

GPRS无线通讯功能首先需要编写相关串口的驱动程序，使它能够实现串口的开关和读写，最后利用其驱动编写GPRS无线通讯模块的数据传输等功能。利用STM32单片机对GPRS无线通讯模块进行数据传输、控制等命令。利用GPRS无线通讯模块的DTU模式，对测量数据进行无线网络传输到上位机，使上位机实现了无线数据的实时监测和相关命令的控制。

5 结束语

利用单片机技术，使以STM32单片机作为角度传感器的控制中心的设计能够实现角度测量功能以及对数据的无线传输功能。根据对角度传感器工作原理的相关研究，优化了相关的信号调理电路。设计了温度补偿电路用于减少角度传感器对于温度的影响，从而提高了本角度检测仪的测量精度。GPRS数据通信实现了数据的远程测量和控制，增强了实时数据传输。通过设计了冷启动控制电路，进一步降低了系统总体的功耗。综上所述，该角度测量仪能够提高数据监控效率，对于极端环境有一定的适应能力，有利于各种应用场合的使用，具备良好的应用价值。

参考文献：

[1] 徐洁.检测技术与仪表[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2] 陈立春.仪器分析[M].北京：中国轻工业出版社，2002.

[3] 陈照章，朱湘临.光电测速传感器及其信号调理电路[J].传感器技术，2002（7）.

[4] 王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5] 杜锋，范英龙.振弦传感器读数仪的改进设计[J].时代农机，2018（9）.

【通联编辑：朱宝贵】