1、中北大學2014屆畢業設計說明書畢業設計說明書雙通道高精度角度測量儀設計10051041學生姓名： 學號： 信息與通信工程學院學 院： 光電信息工程專 業： 李文強指導教師： 2014 年 6 月雙通道高精度角度測量儀設計摘要 在很多領域，角度位置信號的測量都非常重要，尤其是在運動物體的控制和檢測系統中,不僅需要準確的線參量,更需要準確的角參量(尤其是角加速度)信息。目前隨著科學技術的發展, 角加速度傳感器的應用越來越廣泛，其測量精準度直接影響著整個系統的精度。本文主要介紹了將角度測量和單片機控制結合，實現雙通道高精度角度測量儀的設計方案。設計中采用了芬蘭VTI公司高精度MEMS單軸傾角傳感器

2、（SCA103T-DO4傾角計），微處理器通過SPI接口直接讀取SCA103T-DO4內部AD轉換器轉換結果(11位AD), 通過調試系統角度測量范圍達±18º，精度可到0.003º，在工程實踐中具有一定現實意義。關鍵詞：角度傳感器，單片機，雙通道，SCA103T-DO4，SPI接口Dual channel and high precision Angle measuring instrumentAbstractThe measurement of Angle position signal is very important in many fields esp

3、ecially in the control and detection system of moving object, in which people not only need the exact line parameters but also need more accurate information about the Angle parameter ( especially angular acceleration).Now With the development of science and technology, the angular acceleration sens

4、or has been extensively applied, which measurement precision directly affects the precision of the whole system. This article mainly introduced the combination of Angle measurement with MCU control to realize the design of two-channel high precision Angle measuring instrument. Adopted in the design

5、of high-precision MEMS Finland VTI company single shaft Angle sensor (SCA103T-DO4 inclinometer), the microprocessor through the SPI interface directly read SCA103T-DO4 AD converter internal transformation (11 AD) as a result, through the debugging system Angle measurement range of plus or minus 18 D

6、HS, precision can be up to 0.003 DHS, has certain practical significance in engineering practice.Key words: Angle sensor，MCU，Dual Channel，SCA103T-DO4，SPI Interface 目 錄1 緒 論11.1 研究背景11.2 現狀及前景11.3 主要研究的內容及其意義32 設計過程原理和算法52.1 角度測量原理52.2 加速度測量角度原理52.3 SCA103T-DO4工作原理82.3.1 SCA103T-D04測量角度原理82.3.2 SCA10

7、3T-D04主要特征112.3.3 SCA103T的SPI串行接口142.4 系統總體設計方案162.4.1 系統硬件設計162.4.2 系統軟件設計173 硬件電路設計183.1 STC12C5A60S2外圍電路設計183.1.1 STC12C5A60S2基本特點及結構183.1.2 STC12C5A60S2最小系統213.2 SCA103T-D04模塊設計223.2.1 SCA103T-D04溫度補償特性223.2.2 SCA103T-D04外圍電路233.2.3 SPI接口電路243.3 顯示模塊設計與調試253.4 電源穩壓模塊設計與調試284 軟件系統設計314.1 初始化程序314

8、.2 主程序設計31第II頁 共II頁4.3 誤差分析324.4 軟件設計總結335 系統調試與結果顯示346 數據處理算法研究35參考文獻36附錄38致謝50中北大學2014屆畢業設計說明書1 緒 論1.1 研究背景隨著科技的進步，在很多方面如制造業中的機器人工作, 汽車工業中運動狀態的控制, 軍事系統中巡航導彈的控制等諸多領域,角度測量都是一項非常重要的工作，其測量精準度直接影響著整個系統的精度。其次角度測量也是計量科學中發展較為完備的一個分支，各種測量手段的綜合運用使測量準確度達到了很高的水平。據統計, 角度測量方法大致可以按測量原理分為16大類。在過去的二十多年中, 角度測量的準確度也

9、達到了此前10倍以上1。此外，伴隨人類社會步入信息時代，信息獲取作為科學與技術進步的源頭將會更加關鍵和基礎，而角度測量作為獲取信息的重要方式也影響深遠2。1.2 現狀及前景由于角度測量技術越來越廣泛地應用于機械、光學、航空、航海等各個領域，技術水平和測量準確度不斷提高。國內外許多部門和研究機構柑繼研制出多種測角儀器,以滿足經濟、國防和科學研究等各部的需要。采用先進的科學技術成果和現代化的技術設備,使測量準確度不斷提高,測量范圍不斷擴大。近年來,特別是隨著計算技術的蓬勃發展,使得角度測量技術得以實現全自動化。由于用于角度測量的傳感器種類較多,功能各異,各種測角技術和測角裝置都針對不同的技術要求和

10、應用環境,因此有必要對幾種主要的測量方法做一全面闡述。(1)機械式測角技術 以多齒分度盤為代表的機械式圓分度器件,具有工藝好、工作可靠、結構簡單、使用壽命長、對環境要求低等優點,是一種基于機械分度定位原理的圓分度技術。雖然它單個齒盤的分度誤差很大,但當兩個齒數相同、模數相同的齒盤嚙合后,由于產生“平均效應”,使分度準確度大大提高。而且由于差動技術的采用,兩不同齒數的兩件以上的齒盤嚙合后,可獲得較小的分度間隔。 用多齒分度盤分度測量角度,雖然準確度比較高,但是由于齒盤數和盤齒數不能無限增多,因此細分受到限制。(2) 光學式測角技術用光學方法測量角度,比一般的機械方法有更高的準確度,而且易于細分。

11、目前,國內外用來測角的光學式測角技術主要有光學分度頭測角、正多面棱體測角、圓光柵測角、環形激光器測角、激光干涉測角等。光學分度頭的規格型號較多，可用來測量角度塊、角度樣板以及被測量的兩側面的表面粗糙度較小的零件。用光學分度頭測量試件,常采用多次測量,用算術平均值作為測量結果,以提高測量的準確度。多面棱體常作為角度基準,用來測量精密光學儀器度盤、高準確度分度蝸輪的誤差以及精密機床的分度裝置等。它的優點是結構簡單、使用方便。缺點是組成棱體的面數受體積及加工工藝的限制,相鄰面法線間的夾角不宜太小,亦即組成棱體的面數不宜太多。因此,用它來檢定各種圓分度的間隔不能太。圓光柵是目前角度測量的主要器件之一,

12、對于高準確度、高分辨力的角度測量來說,產生能夠細分的原始信號是十分重要的。利用圓光柵莫爾條紋現象產生的信號在很大程度上能滿足這些要求,特點是它的正弦波形中各次諧波的成分很小。圓光柵測角技術已有廣泛應用，因為用作角度基準的光柵可以用平均讀數原理來減小分度誤差和安裝偏心誤差,其準確度高而且穩定可靠。利用光柵細分原理組成的測角裝置,近年來有很大的提高。將轉角大小轉換成相應數字代碼的裝置叫角編碼器。角編碼器有許多類型,其中最常用的是光電角編碼器,光電角編碼器兩傳播方向相反的光束在閉合環路(圓形、角形或其它回路)中行進時,若閉合環路以一定的角速度旋轉,則此反向的兩光速將產生光程差,且光程差的大小與環路旋

13、轉的角速度成正比,這就是賽納克效應。這一現象為測量角度提供了理論依據,而高穩頻激光的出現,又使這一精確的測角方法能應用于實際工作。利用這一現象來測量角度的裝置叫環形激光器的輸出信號根據取信號的方法分為兩種:一種是絕對測量法,另一種是增量測量法。激光由于亮度高、單色性好、方向性好和相干性好等優點,使它在計量科學領域的應用愈來愈廣泛。由于角度可以表示成長度之比，而長度的變化又可以激光干涉條紋數的變化來表示,因此在長度測量中準確度最高的激光干涉法在角度測量中的應用日益廣泛,技術水平也日趨成熟,尤其在小角度測量方面。目前,干涉測角儀采用的干涉光路大多為邁克爾遜干涉光路,將光程差變換成角度實現測量。它們

14、普遍存在的缺點是必須經過檢定,而且測量范圍在90º以內。 除了以上介紹的幾種光學方法外,利用偏振光、光纖、雙頻激光測角也有所應用。(3) 電磁分度測角技術電磁分度測角技術電磁分度技術是最近幾十年發展起來的新的測角技術,主要是利用各種參數進行分度測角。電磁分度技術大量應用于近一步細分,使分度和測量范圍擴大,儀器的分辨力提高,使用范圍廣泛。主要包括圓磁柵測角和感應同步器測角。在一個圓柱(圓盤)基體的表面上鍍上一層磁膜,當圓盤均勻旋轉時,把由一標準頻率發生器發出的頻率極為準確、穩定的正弦波電壓信號記錄在磁膜上面,磁膜經交流反復磁化,就形成與磁極對應的磁格(N和S兩兩相對),被錄磁圓盤就是以

15、磁波為分度標準的圓磁柵。感應同步器是利用電磁感應原理將位移量轉換為電信號,并以數字脈沖形式輸出的基準量,它日益廣泛地用于角度測量領域3。目前傳統角度測量傳感器存在一些不足： 精度差； 易受非目標參量影響，穩定性差； 易受噪聲干擾，信噪比低，分辨率低，靈敏度低； 尺寸大，響應慢，不太便攜4。伴隨著各種新技術的不斷涌現,角度測量的方法和準確度也在不斷完善和提高。國民經濟的各個部門都需要各種測角儀器,而各種測角儀器又都需要更高級的角度基準或檢定方法來檢定。為此，就需要建立高準確度的角度基準或檢定方法,角度測量也正是在不斷滿足這些要求的過程中不斷地完善和發展的。隨著生產力的發展,科技的進步,角度測量必

16、將向著更高準確度、更高分辨力、更高測量速度的方向發展,測角儀器也將趨于向小型化、智能化發展。1.3 主要研究的內容及其意義 掌握角度、特別是加速度測量角度的原理、方法和特點； 進行角度測量模塊初步設計與調試，具體要求為:雙通道，測量范圍±15°，精度±0.057°； 進行顯示模塊設計與調試； 進行通信接口模塊設計與調試； 在仿真、系統搭建、調試基礎上完成整個系統的設計和調試工作。本文基于對國內外角度測量技術的深入分析，將角度測量和單片機控制結合，以單片機STC12C5A60S為核心，運用高性能傾角傳感器SCA103T-D04和SPI等串口數據傳輸技術提出

17、了雙通道高精度角度測量儀的設計并應用JCM12864M可實時顯示傾角角度。實踐應用表明基于SCA103T-D04傾角傳感器實現的高精度傾角檢測系統設計具有傾角檢測方便、精度高、響應速度較快等特點，可廣泛應用于高精度測量儀器及智能平衡運動控制系統中。2 設計過程原理和算法2.1 角度測量原理 角度測量包括水平角測量和豎直角測量。從一點出發的兩空間直線在水平面上投影的夾角即二面角，稱為水平角。其范圍：順時針0°360°之間。在同一豎直面內，目標視線與水平線的夾角，稱為豎直角。其范圍在0°±90°之間。當視線位于水平線之上，豎直角為正，稱為仰角；反之

18、當視線位于水平線之下，豎直角為負，稱為俯角。 角度測量的理論基礎是牛頓第二定律：根據基本的物理原理，在一個系統內部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分算出線加速度，進而可以計算出直線位移，所以它其實是運用的是慣性原理。當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了5。2.2 加速度測量角度原理早期對于角參數的測量多采用普通的線加速度計和線位移傳感器經過計算推出角參數值。隨著科學技術的發展，角加速度傳感器的應用越來越廣泛，包括建立在測量流動電勢基礎上的角加速度傳感器，

19、利用壓電晶體構成的具有角加速度陀螺功能的壓電晶體角加速度傳感器，利用電阻應變效應制成的應變式角加速度傳感器等6。 加速度傳感器是傾角傳感器的一種，測量值為加速度，測量的目的是得出測量對象的姿態傾角，是將運動或重力測量值轉換為電信號的傳感器。一般把加速度傳感器與信號調理電路集成，組成加速度傳感器系統，可用來測量傾角。傾角測量中，加速度傳感器的測量單位為g，它是指物體在只受重力的情況下，因重力作用而產生的加速度，稱為重力加速度。加速度傳感器的分類按照測量范圍可以分為低加速度傳感器（<10g）和高加速度傳感器（>10g）；按照測量軸的數目分為單軸、雙軸或多軸加速度傳感器。 加速度傳感器的

20、工作原理是：敏感元件將測點的加速度信號轉換為相應的電信號，進入前置放大電路，經過信號調理電路改善信號的信噪比，再進行模數轉換得到數字信號，最后送入計算機，計算機再進行數據存儲和顯示。當傳感元件以加速度a運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，發生與加速度a成正比的形變，使懸臂梁也隨之產生應力和應變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴散電阻感受到。根據硅的壓阻效應，擴散電阻的阻值發生與應變成正比的變化，將這個電阻作為電橋的一個橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對加速度的測量。 在一般設計中，加速度傳感器在PCB（印刷電路板）上的初始位置要么是水平放置，要么是垂直安裝，每種位置都有一個權

21、衡，這在選擇時需要考慮。兩種測量方式以及對應的測量公式有很大區別，具體傾角測量角度原理和計算方法如下： 水平放置 在測量范圍不超過±60º時，一個雙軸加速度傳感器可以用來測量兩個方向的角度。為了測量傾角，往往需要做一些換算，因為加速度傳感器的輸出僅僅是加載在傳感軸上的重力加速度。加速度傳感器輸出信號和角度之間的關系可由下面的公式給出：（2.1）（2.2）（2.3）（2.4），表示重力加速度輸出，表示傾斜角度?？捎萌缦鹿接嬎銉A斜角度： 當傾斜角度大于60º時，由于函數的特性，使角度測量出現嚴重非線性。尤其是測量角度在接近90º時，無法測量。（2.5）（2

22、.6）當測量角度非常小時，公式非常接近線性： 在一些應用場合中，線性公式可以滿足精度要求。表2.1是不同角度使用線性近似公式計算得出的誤差，要計算每個傾角的K值，需要進行進一步曲線擬合。表2.1 線性近似后傾角誤差傾角范圍K（º/g）最大誤差（º）±10º57.50±0.02±20º58.16±0.16±30º59.40±0.48±40º60.47±1.13±50º62.35±2.24 利用線性模擬，加速度傳感器的靈敏度除以K

23、就轉化為傾角的靈敏度。假如加速度傳感器的靈敏度是1000mV/g，傾角測量范圍是±20º，則傾角的靈敏度是：（1000mV/g）/（58.16º/g）=17.2mV/º 垂直放置當需要測量大于90º角度時，可以利用X，Y兩個軸的加速度輸出信號在0-360º范圍內得到很好的分辨率。在這種應用中，單軸加速度信號用來測量單軸的傾角。圖2.4顯示了加速度傳感器從垂直位置的傾斜情況。在圖2.4中，加速度信號與傾斜角度的關系如下：（2.7）（2.8） 在上面公式中，所以只要知道和值中的一個就足夠了。上面的式2.7也可寫成如下形式：（2.9）兩式相

24、除可以得到：（2.10） 角可以通過對上面公式求反獲得：（2.11）對任何角度，要獲得較好的分辨率，垂直放置有額外的優點：通過和相除，可以消除兩個軸向上的輸出誤差；通過這種方法不需要進行溫度補償。熱交換原理的加速度傳感器的靈敏度隨溫度的變化有很好的可預測性和重復性，所有兩軸都有相同的改變，但經過計算后的結果則不會隨溫度的改變而改變7。傾角傳感器的補償：圖2.1 信號處理過程2.3 SCA103T-DO4工作原理2.3.1 SCA103T-D04測量角度原理高精度傾角傳感器SCA103T系列是芬蘭VTI科技公司( VTI Technologies Oy ) 開發的3D-MEMS技術新型傾角儀 ,

25、其使用差動測量原理并采用了高度集成電子和成熟的MEMS傳感器技術。其高校正精度結合極低的溫度依賴性、高分辨率、低噪聲且具有過阻尼的傳感特性，對高頻的振動不敏感性及能承受的20000g的機械沖擊和傳感元件堅固耐用的設計等特點，使得SCA103T是高精度水平儀器的理想選擇。其典型應用是用于高精度測量儀器中,比如水平儀和激光器等。圖2.2 SCA103T-D04實物圖SCA103T-D04是以單晶硅材料制造的高精度單軸傾角傳感器,傳感器由三層硅片構成,形成立體結構,當傾斜或者有加速度的時候,中間質量片會傾斜向某一側,從而兩側的電容由一樣變成不一樣。測試片兩邊形成電容,傳感器靈敏度高兩極之間由玻璃構成

26、絕緣。SCA103T-D04有兩個模擬輸出和一個數字SPI接口以提供直接信號處理。 SCA103T-D04測量軸內部由兩個不同的傳感單元組成，在同一測量方向上輸出相反的信號，由此輸出兩個差動的傾角信號，可以用差動放大器處理也可通過微控器處理。信號差分帶來非常顯著的優點:它能提高產品靈敏度并顯著減小共模噪聲。在8Hz帶寬情況下,模擬信號分辨力是0.001°(20g) , 數字信號分辨力為0.009°/LSB。該產品含有內部溫度測量和補償再加上高于0.014°的長期穩定性,在-2585 范圍內,能保證精度偏移小于±0.14°。SCA103T-D04

27、為12腳塑封SMD封裝,包含一個微分敏感度為8V/g的±30°版本和一個微分敏感度為16V/g的±15°版本,可應用于單軸傾角儀器和基于傾角的位置測量8。本設計采用微分敏感度為16V/g的±15°版本。 SCA103T-D04測量特點： SCA103T-DO4雖使用兩顆傳感元件，但兩顆元件卻測量同一軸，是單軸傳感器； 使用兩顆傳感元件同時測量X軸傾角； 差分信號必須通過硬件處理或者軟件算法處理； X方向差分輸出； SCA103T-D04傾角傳感器擁有集成高性能強大功能MCU的專用電路，全數字化設計，對敏感器件進行了全面的溫度補償、線性

28、補償，提供各種模擬量、數字量輸出信號。其芯片結構如圖2.8所示：圖2.3 SCA103T內部功能框圖數字信號輸出角度轉換： 和數字寄存器上的加速度測量結果是11位數字形式，數據范圍從02048。和數字寄存器在0º位置標稱容量為： 二進制：100 0000 0000 十進制：1024 為了獲得差分輸出結果，必須減去（2.12） 對于傾角的這種差分輸出轉換關系可以表示為：（2.13） 其中， 表示差分輸出結果（） 表示數字補償值，差分模式標稱值為0 表示角度 表示設備靈敏度（SCA103T-D04：6554）2.3.2 SCA103T-D04主要特征 測量范圍：0.26g（±1

29、5°） 分辨率0.009°(8 Hz 帶寬，數字端輸出) 傳感單元受過阻尼控制，頻率響應 (-3dB 18Hz) 堅固耐用設計高抗振性(20000g) 溫度與時間下卓越的穩定性 使用差分測量原理，減小了共模誤差和噪聲 單電源+5 V供電 公制比例模擬電壓輸出 數字SPI傾角與溫度數據輸出 全面的故障自探測功能 符合RoHS要求 可用無鉛回流焊加工 SCA103T-D04性能參數如表2.2所示：表2.2 SCA103T-D04性能參數參數名稱條件SCA103T-D04單位工作電壓 4.755.25V工作電流VDD=5無負載4mA工作溫度 -40125degC量程 +/-15度

30、頻率響應-3dB828Hz零點輸出環比電壓輸出VDD/2V數字輸出1024LSB零點校正誤差 +/-0.057度靈敏度 16V/g續表2.2 SCA103T-D04性能參數01度范圍內280mV/度靈敏度校正誤差 +/-0.5%數字輸出靈敏度 6554LSB/g零點溫漂-2585degC+/-0.002度/degC -40125degC+/-0.29度線性度測量量程內+/-0.057度數字分辨率 12位01度范圍內0.0009度/LSB模擬輸出分辨率帶寬10Hz0.0013度交叉靈敏度最大4%環比誤差VDD=4.755.25V+/-1%長期穩定性連續供電23degC<0.004度 公制比

31、率輸出特性： 公制比率輸出表示傳感器的零點和靈敏度正比于供電電壓，如果供電電壓波動，SCA103T-D04的輸出也會變化。如果SCA103T-D04和其他測量電路如AD轉換器使用相同的電壓，電壓的變化引起的誤差能自動地被補償。 SCA103T-D04電氣連接特性： 如果SPI口不用，相關管腳 SCK (pin1), MISO (pin3), MOSI (pin4) 和 CSB (pin7)必須懸空。將邏輯“1” (正電源電壓)提供給管腳 ST_1 或ST_2（10腳或9腳）可激活自檢測功能，兩通道的自檢測功能不能同時使用，如果不使用自檢測功能，9腳和10腳必須懸空或接GND。傾斜信號從OUT-

32、1和OUT-2腳輸出。 SCA103T-D04電氣連接如圖2.4所示：圖2.4 SCA103T-DO4電氣連接圖表2.3 SCA103T-D04引腳功能說明引腳號引腳名I/O描述1SCKInput 串行口時鐘2NC Input未用、保持懸空3MISOOutput 主入從出，串行數據輸出4MOSIInput主出從入，串行數據輸入5Out_2 Output 輸出2（通道2）6GNDSupply 電源地（電源負極）7CSBInput片選信號輸入端（低電平有效）8NC Input未用、保持懸空9ST_2Input 自檢測輸入（通道2）10ST_1Input自檢測輸入（通道1）11Out_1Output

33、 輸出1（通道1）12VDDSupply 正電源供電（+5VDC）電路連接注意事項：SCA103T-D04必須提供良好整流的+5V直流電壓。耦合到電源線上的數字噪聲必須是最小的，在電源管腳VDD（12腳）與地GND之間必須連接一個100nF濾波電容。SCA103T-D04是公制比率輸出，為取得最好的性能，需將SCA103T-D04與數模轉換電路使用同一個電壓。使用低通RC濾波電路5.11k的電阻和10nF電容連接在SCA103T-D04的輸出端降低數字時鐘噪聲影響。 100nF濾波電容盡可能靠近VDD（12腳），走線盡可能短，電容另一腳直接和地平面相連。GND（6腳）直接和下面的地平面相連。電

34、源和地的平面盡可能的寬，在PCB板上避免狹窄的電源和帶狀的GND連接8。2.3.3 SCA103T的SPI串行接口 SPI(Serial Peripheral Interface-串行外設接口)總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數據線（MISO）、主機輸出/從機輸入數據線（MOSI）和低電平有效的從機選擇線（CSB）(有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數據線MOSI)。SPI串行接口為主從工作模式，由一個主機和一個或幾個從機組成。

35、主機是徽型計算機（單片機），用于發送SPI時鐘、命令和傳愉數據。在主一從工作模式中,TVI產品的專用集成電路（ASIC）始終是一種從機工作方式9。圖2.5 SPI工作邏輯圖 SCA103T-D04的SPI接口可設計應用于任何基于SPI總線的微控制器。通信可通過基于SPI接口的軟件或硬件電路實現。需要注意的是，在基于SPI接口的硬件電路中，接收的加速度值是11位的，數據轉換借助表2.4所示四線制接口。表2.4 SPI接口信息接口名稱接口功能MOSI主器件數據輸出，從器件數據輸入µP SCA103TMISO主器件數據輸入，從器件數據輸出SCA103T µPSCLK串行時鐘，由主

36、器件產生最大為fPCLK/2，從模式頻率最大為fCPU/2µP SCA103TCSB芯片選擇（低電平有效）µP SCA103T 圖2.6 SCA103T-D04典型SPI連接圖 SPI控制命令可以是單指令的，也可以是指令和數據的結合。在指令和數據結合的情況下，數據緊跟著SPI指令，同時輸入的數據和輸出的數據是同步進行的。任何的傳輸開始于SCB(片選)的下降沿，結束于SCB(片選)的上升沿。在傳輸的過程中，SCK(串行時鐘)和CSB(片選)按照以下的規則控制命令和數據：命令和數據移位輸入,MSB（高位）先入LSB（低位）后入。任何輸出數據/狀態位在 SCK下降沿移位輸出（MI

37、SO腳）。 任何數據位都是在SCK上升沿被采樣（MOSI腳）。通過CSB下降沿選定設備后,要接收8位命令來設置設備的工作模式。CSB的上升沿停止所有數據傳輸,并重置內部計數器和指令寄存器。如果接收到無效指令,將沒有數據移入片內,MISO仍然處于高阻抗狀態,直到CSB 的下降沿被觸發，這將會重新初始化串口通信。在所有情況下,當接收到數據被寫入SCA103T-DO4內部寄存器的命令后數據被立即持續傳送到MOSI。從MISO傳輸的數據終止于觸發SPI命令上一位數據在SCK的上升沿被采樣之后的SCK的上升沿。最大的SPI時鐘頻率500KHz。RDAX和RDAY接收和發送的最大數據傳輸速率是5300次/

38、s/通道10。 圖2.7 SPI接口上的指令和11位加速度數據傳輸時序2.4 系統總體設計方案2.4.1 系統硬件設計根據設計要求，設計的硬件系統體積盡量小；成本低；方便調試與操作；具有一定精度；在較短響應時間內能夠直接顯示角度測量結果而無需外接PC等控制機對數據進行處理?；谏鲜鰩c考慮，通過對器件的篩選和方案的選擇，雙通道高精度角度測量儀系統硬件結構如圖2.8所示：圖2.8 角度測量系統硬件結構角度測量儀硬件系統結構主要模塊如下： 傾角傳感器SCA103T-D04模塊：該傳感器主要功能是在微控制器（MCU）的控制下完成數據采集和處理并通過SPI串口傳輸數據。 濾波電路模塊：采用無源濾波，使

39、得耦合到電源線上的數字噪聲達到最小。 單片機（MCU）控制模塊：MCU是整個硬件控制系統核心，完成各種指令和數據的處理。SCA103T-D04采集到的角度信息經過MCU的處理后通過12864輸出。該模塊主要包括時鐘控制電路、復位電路、數字穩壓電路等。 串口通信模塊：該模塊采用RS-232通信協議，完成硬件系統與計算機的連接，可以對MCU進行在線編程。 顯示模塊：12864液晶顯示器將實時顯示經SCA103T-D04采集并由MCU處理過的角度信息。 電源模塊：系統不僅可以通過USB串口供電，也可以用外部電源進行供電。2.4.2 系統軟件設計系統軟件設計主要分為以下幾個模塊： 系統初始化： 系統設

40、計中涉及SPI、RS232等通信協議，初始化過程需要對相應寄存器進行設置，并進行LCD顯示模塊和傳感器SCA103T-D04的初始化設置。 數據采集和處理模塊： 完成對角度傳感器角度變化信息的采集和數據的相應處理。 顯示模塊： 將進過處理過的數據通過12864實時顯示出來。 通信模塊：通過USB轉串口線，PC可以對MCU進行在線編程，同時MCU也可以將采集并處理過的信息傳送給PC。3 硬件電路設計 此設計根據測量精度高、實時響應快、連接方便、硬件體積小等要求，在進行硬件電路搭建時首先進行芯片甄選，對應用到的各個芯片進行功能分析和電路設計，之后擴展各個模塊的電路，最終形成整個硬件電路系統。再根據

41、PCB（印刷電路板）布線規則并考慮電磁干擾和兼容等因素制成電路板，得到實用的硬件電路系統。3.1 STC12C5A60S2外圍電路設計眾多的51系列單片機中，STC公司生產的1T增強系列更具有競爭力。因其不但和8051指令、管腳完全兼容，而且片內具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的。STC12C5A60S2單片機內部自帶高達60K的FLASH ROM,這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了創作者的勞動成果。重要的一點是目前STC1

42、2C5A60S2單片機的售價與傳統51單片機差不多，并且資料較為豐富，是一款高性價比的單片機。3.1.1 STC12C5A60S2基本特點及結構STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。 STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數據存儲器(SRAM)、定時/計數器、UART串口、2個串口、I/O接口、高

43、速A/D轉換、SPI接口、PCA、看門狗及片內R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。STC12C5A60S2單片機幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統11。圖3.1 STC12C5A60S2單片機管腳圖各引腳功能簡要介紹如下： VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每個管腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部電位必須被拉高；P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1

44、口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，電位被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收；P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳電位被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉的優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊

45、功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號；P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)，也是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD(串行輸入口)；P3.1 TXD(串行輸出口)；P3.2 INT0(外部中斷0)；P3.3 INT1(外部中斷1)；P3.4 T0(記時器0外部輸入)；P3.5 T1(記時器1外部輸入)；P3.6 WR (外部數據存儲器寫選通)；P3.7

46、 RD (外部數據存儲器讀選通)；同時P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號；RST：復位輸入。振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高平時間；ALE / PROG ：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該

47、引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效；PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機器周期PSEN兩次有效。但在訪問內部部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現；EA/VPP：當EA保持低電平時，訪問外部ROM;注意加密方式1時，EA將內部鎖定為RESET;當EA端保持高電平時，訪問內部ROM。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)；XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入；XTAL2：來自反向振蕩器的輸出 12。3.1.2 STC12C5A60S2最小系統 在智能儀器儀表中，控制核心均為微處理器

48、，而單片機是作為智能儀器儀表微處理器的首選，其結合簡單的接口電路即可構成單片機最小系統。所謂單片機最小系統就是能讓微處理器工作所需的最少電路單元的組合。單片機最小系統中主要包括：電源電路、復位電路、時鐘電路等。STC12C5A60S2單片機最小系統電路如圖3.2所示。圖3.2 STC12C5A60S2單片機最小系統電路復位電路：STC12C5A60S2單片機有5種復位方式：外部RST引腳復位；外部低壓檢測復位(新增第二復位功能腳RST2復位，實現外部可調復位門檻電壓復位)；軟件復位；掉電復位/上電復位(并可選擇增加額外的復位延時200mS，也叫MAX810專用復位電路，其實就是在上電復位后增一

49、個200mS復位延時)；看門狗復位。本文選擇第一種復位方式進行設計，其基本工作原理如下：外部RST引腳復位是從外部向RST引腳施加一定寬度的復位脈沖，從而實現單片機的復位。P4.7/RST管腳出廠時被配置為RST復位管腳，要將其配置為I/O口，需在STC-ISP編程器中設置。如果P4.7/RST未在STC-ISP編程器中被設置I/O口，那P4.7/RST就是芯片復位的輸入腳。將RST復位管腳拉高并維持至少24個時鐘加10us后,單片機會進入復位狀態，將RST復位管腳拉回低電平后，單片機結束復位狀態并從用戶程序區的0000H處開始正常工作。時鐘電路：STC12C5A60S2單片機是1T的8051

50、單片機，系統時鐘兼容傳統8051。STC12C5A60S2單片機有兩個時鐘源：內部R/C振蕩時鐘和外部晶體時鐘。一般出廠標準配置是使用外部晶體或時鐘。芯片內部的R/C振蕩器在5V單片機常溫下頻率是11MHz - 17MHz,因為隨著溫度的變化，內部R/C振蕩器的頻率會有一些溫漂，再加上制造誤差，故內部R/C振蕩器只適用于對時鐘頻率要求不敏感的場合。因此我們選用外部晶振提供系統時鐘頻率。電源濾波電路：此設計中電源濾波用鉭電容與一個非極性電容并聯構成。因為鉭電解電容具有很低的ESR（等效串聯電阻），而非極性電容在高頻段具有很低的阻抗，一個低頻段濾波一個高頻段濾波，兩者搭配能夠提升總體濾波性能13。

51、3.2 SCA103T-D04模塊設計3.2.1 SCA103T-D04溫度補償特性 該芯片資料在第二章已經基本闡述，故在此不再贅述。由于多種物理現象之間相互作用和干擾，所以理想的傳感器是不可能設計出來的。SCA103T-D04也是如此，但是從工程實踐的角度考慮，我們不能消除影響，但是可以弱化問題，將影響降至可就受范圍內。對于外界環境各種干擾，其中影響較大的為儀器本身環境溫度。溫度可以直接造成傾角傳感器加速度量的偏移。本設計中應用的傳感器SCA103T-D04內部集成了溫度檢測模塊，從而解決了溫度的影響問題。 SCA103T-D04含有內部溫度傳感器，可以進行內部偏移補償，也可進行外部補償。溫

52、度傳感器是通過SPI接口訪問的。溫度數據是8-bit字（0-255）。轉換公式如式3.1所示：（3.1）14其中，是測量數據，是實際溫度。本文設計中選擇SCA103T-D04芯片作為角度傳感器的另一個原因是其有橫軸的概念。當X軸方向角度變化時,Y軸也會相應有角度變化。因為兩個軸不可能完全垂直，而SCA103T-D04是單軸傾角傳感器，系統設計的硬件是兩個傳感器在焊接時保持垂直關系，但這幾乎是不可實現的，只能盡可能去接近。有了橫軸的設定，可以在測量X軸角度時，用橫軸的數據進行修正，從而調高采集到數據的精度。3.2.2 SCA103T-D04外圍電路圖3.3 SCA103T-D04基本外圍電路如圖

53、3.3所示，電源VDD和地GND之間有型LC無源濾波電路。 LC濾波器也稱為無源濾波器，是傳統的諧波補償裝置，其利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結構是將電感與電容串聯，可對主要次諧波（3、5、7）構成低阻抗旁路。除起濾波作用外，還兼顧無功補償的需要。無源LC濾波電路不易集成，通常電源中整流后的濾波電路均采用無源電路，且在大電流負載時應采用LC電路。根據電抗性元件對交、直流阻抗的不同，由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖3.3所示。因為電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C并聯在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗

54、大，因此L應與負載串聯。型LC無源濾波電路原理如下：并聯的電容器C在輸入電壓升高時，給電容器充電，可把部分能量存儲在電容器中。而當輸入電壓降低時，電容兩端電壓以指數規律放電，就可以把存儲的能量釋放出來。經過濾波電路向負載放電，負載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。若采用電感濾波，當輸入電壓增高時，與負載串聯的電感L中的電流增加，因此電感L將存儲部分磁場能量，當電流減小時，又將能量釋放出來，使負載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用且直流損失小15。3.2.3 SPI接口電路SPI（同步串行接口）是工業標準的同步串行外設接口SPI是一種全雙工、高速、同步的通信總線，有兩種工作模式：主

55、模式和從模式。其控制總線只需要4根控制線就可以擴展具有SPI的各種I/0器件，因此在工程控制領域有著廣泛的應用。SCA103T-D04的SPI串行接口在第二章已經初步闡述，它能夠支持任何使用SPI總線的微處理器。通信可以由基于SPI的軟件和硬件完成。需要注意的是，在采用硬件SPI的時候，接收加速度數據是11位。數據傳輸主要采用MOSI、MISO、SCK、CSB四線制接口。圖3.4 SPI通信時序邏輯圖同步串行通信的通訊程序設計思想的實質就是在時序的配合下，通過對STC12C5A60S2單片機的SPI接口三個寄存器的配置來實現數據通信。這三個寄存器分別是：控制寄存器、狀態寄存器、數據寄存器?？刂萍拇嫫鳎⊿PCR）可以設置SPI口工作時的中斷、工作模式、時鐘頻率等，只要對控制寄存器進行某些賦值就可以實現相應的功能。狀態寄存器（APSR）含有SPI中斷標志位SPIF,當串行數據發送完成時，中斷標志位將會置1，并產生中斷。如果從機選擇線SS被設置為輸入且在SPI口是主機模式時，該標志位將被置低，這時將會設置SPIF標志。SPIF位在執行相應中斷向量時被硬件清除。SPI口數據寄存器（SPDR）可以進行讀/寫，以便用于寄存器文件和SPI移位寄存器之間傳遞數據。需要注意的是，狀態寄存器的第7位SPIF位為SP