1、基于STC12C5410AD單片機(jī)的傾角測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本文詳細(xì)介紹了一種利用加速度傳感器、轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度傾角測(cè)量的方法。給出了利用加速度傳感器測(cè)量傾角的原理提出了整體設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠并對(duì)角度傳感器進(jìn)行了研究；分析了不同角度傳感器的特性與應(yīng)用特點(diǎn)。研究了磁敏角度傳感器在拉線式位移傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，傾角傳感器的原理、特點(diǎn)。結(jié)果表明角度傳感器具有無觸點(diǎn)、高靈敏度、接近無限轉(zhuǎn)動(dòng)壽命、無噪聲、高重復(fù)性、高頻響應(yīng)特性好等特點(diǎn)，且廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。關(guān)鍵詞：STC12單片機(jī); 加速度傳感器; 角度測(cè)量AbstractThe angle

2、 sensor is studied; analyzes the characteristics and application of the characteristics of different angle sensor，and the magnetic angle sensor in the design and application of Guyed displacement sensor, principle, characteristics of the inclination sensor. The results show that the angle sensor has

3、 no contact, high sensitivity, close to life, no noise, rotating infinitely high repeatability, high frequency response characteristic and so on, which is widely used in aerospace, aviation, national defense, science and technology and the production of industry and agriculture and other fields.Key

4、words: STC12 MCU; Acceleration Sensor; Measurement of angle 46 / 481 緒論1.1 引言在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時(shí)代，人們?cè)谌粘Ｉ睿a(chǎn)過程中，主要依靠檢測(cè)技術(shù)對(duì)信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測(cè)技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計(jì)算機(jī)、通信、激光、

5、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器) 之一。智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。例如,它在機(jī)器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景,智能傳感器使機(jī)器人具有類人的五官和大腦功能,可感知各種現(xiàn)象,完成各種動(dòng)作。在工業(yè)生產(chǎn)中,利用傳統(tǒng)的傳感器無法對(duì)某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)(例如,黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色與味道等)進(jìn)行快速直接測(cè)量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測(cè)量與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過程中的某些量(如溫度、壓力、流量等)。精密傾角度調(diào)測(cè)是幾何量測(cè)量的一個(gè)重要項(xiàng)目，也是計(jì)量科學(xué)中發(fā)展較為完備的一個(gè)分支，在過去的20年中，傾角度調(diào)測(cè)的精度也提高了10倍多。傾角度調(diào)測(cè)技術(shù)分為靜態(tài)調(diào)

6、測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)測(cè)兩種，某些靜態(tài)調(diào)測(cè)技術(shù)仍然是動(dòng)態(tài)調(diào)測(cè)的基礎(chǔ)，一些動(dòng)態(tài)調(diào)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)調(diào)測(cè)。目前，很多重要的測(cè)控儀器，如陀螺轉(zhuǎn)臺(tái)、慣導(dǎo)平臺(tái)、經(jīng)緯儀、星體跟蹤器、雷達(dá)、導(dǎo)彈發(fā)射架、空間望遠(yuǎn)鏡、高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等系統(tǒng)中一般都需要角度傳感器，用于測(cè)量被測(cè)物體相對(duì)于某基準(zhǔn)方位的絕對(duì)轉(zhuǎn)角或相對(duì)于自身在不同時(shí)刻的相對(duì)轉(zhuǎn)角、傾角。1.2 本文主要工作與章節(jié)安排本文以單片機(jī)STC12C5410AD單片機(jī)為核心搭建硬件平臺(tái)，使用加速度傳感器MMA7260Q測(cè)量物體傾斜角度，并利用串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。并進(jìn)行了實(shí)際實(shí)驗(yàn)。本文分五章對(duì)研究課題進(jìn)行闡述：第1章 ：緒論。闡述課題的背景與意義，研究現(xiàn)狀。第二章：傾角測(cè)

7、量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了以STCSTC12C5410AD為核心的硬件電路設(shè)計(jì)，包括傾角采集模塊、串行通信模塊、微處理器外圍電路。重點(diǎn)介紹了基于加速度傳感器MMA7260Q的數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊的電路設(shè)計(jì)。第三章：傾角測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹了下位機(jī)程序，包括數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通信程序，并對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行了詳細(xì)介紹。第四章：給出了實(shí)驗(yàn)的方法與測(cè)試結(jié)果，對(duì)傾角測(cè)試的原理與傾角的計(jì)算做出了詳細(xì)介紹。2 傾角測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 硬件功能與總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由單片機(jī)、傾角傳感器、鍵盤編碼器、鍵盤、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器和數(shù)碼管等組成。系統(tǒng)的功能是通過傾角傳感器采集角度信息，傳送給單片機(jī)。通過LED數(shù)碼管顯

8、示時(shí)間角度信息。配備有聲光報(bào)警電路，并通過鍵盤修改相應(yīng)參數(shù)，通過串口完成與上位機(jī)的通信8,9。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 信號(hào)采集模塊2.2.1 加速度傳感器MMA7260Q簡介MMA7260Q是一種低成本單芯片三軸向高靈敏度加速度傳感器，基于表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)，集成信號(hào)調(diào)理電路、單極點(diǎn)低通濾波器和溫度補(bǔ)償部分，并且具有4種不同的靈敏度選擇模式。同時(shí)它包含一種睡眠模式，MMA7260Q能在XYZ 三個(gè)軸向上以極高的靈敏度讀取低重力水平的墜落、傾斜、移動(dòng)、放置、震動(dòng)和搖擺10。主要具有以下特點(diǎn): 三軸向加速度測(cè)量；測(cè)量圍可選：1.5g、2g、4g、6g；低功耗，工作電壓：2.2

9、V3.6V，工作電流500；休眠模式：3；封裝：16引腳6mm6mm1.45mmQFN封裝；高靈敏度：800mV/g（量程為1.5g）；啟動(dòng)時(shí)間短：1ms；低噪音：達(dá)到更高的分辨率、更高的精確度。2.2.2結(jié)構(gòu)與原理1結(jié)構(gòu)MMA7260Q功能框圖如圖2.2所示。在IC部主要由雙芯片構(gòu)成，即重力檢測(cè)單元(負(fù)責(zé)加速度的偵測(cè))與IC控制單元(負(fù)責(zé)信號(hào)處理) 。重力檢測(cè)單元將檢測(cè)到的加速度變化量信號(hào)送到C - V轉(zhuǎn)換電路，而后進(jìn)行取樣、保持與信號(hào)放大處理，最后用低通濾波器濾除高頻噪音，在溫度補(bǔ)償處理后即可輸出加速度信息。圖2.2MMA7260Q功能框圖 2原理重力感測(cè)單元(G - CELL)由基于半導(dǎo)

10、體材料的微機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)造而成。物理模型可以構(gòu)造成一對(duì)固定的面板，中間包含一塊可移動(dòng)的面板，如圖2.3所示。當(dāng)系統(tǒng)被給定一加速度時(shí)，中間板就會(huì)漂移。中間板移動(dòng)時(shí)，它到一邊(固定的面板)的距離增加，而到另一邊的距離相應(yīng)地減少，這種距離的變化可用來表征加速度。G - CELL 的面板構(gòu)成了兩個(gè)背對(duì)背的電容，當(dāng)中間面板隨著加速度移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)面板之間的距離就會(huì)改變，因此電容值也隨之改變， C =A/D。這里A是指面板面積，是介電常數(shù)， D是面板間距。在ASIC （專用集成電路）(Application Specific Integrated Circuit)中使用開關(guān)電容測(cè)量出G-CELL 的電容值，并從

11、他們的差值中解析出加速度數(shù)據(jù)。ASIC再進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和信號(hào)濾波(使用開關(guān)電容) ，最后輸出正比于加速度的電壓。圖2.3簡化的換能物理模型靈敏度選擇( g - Select) :根據(jù)g - Select1、g - Select2兩腳輸入電平的不同，MMA7260Q具有4種靈敏度選擇模式，如表2.1所示。根據(jù)不同的產(chǎn)品應(yīng)用可以選擇不同的靈敏度，而且在應(yīng)用時(shí)可以任意改變。睡眠模式( Sleep Mode) :當(dāng)要提供MMA7260Q 12引腳(Sleep Mode)低電平時(shí)，傳感器在低功耗模式下運(yùn)行，此時(shí)運(yùn)行電流僅為3A。當(dāng)提供其高電平時(shí)，傳感器就會(huì)保持正常的運(yùn)行模式。表2.1 MMA7260Q靈敏

12、度選擇模式g-Select1g-Select2g值靈敏度001.5g800mV/g012g600mV/g104g300mV/g116g200mV/g可按照下面規(guī)則選擇g值：1.5g適合自由落體或精確的傾斜補(bǔ)償應(yīng)用；2g適合手持式運(yùn)動(dòng)檢測(cè)或游戲控制；4g適合與低震動(dòng)監(jiān)控、運(yùn)輸和處理；6g適合高震動(dòng)監(jiān)控與較高的震動(dòng)讀取。2.2.3 傾角測(cè)試模塊電路設(shè)計(jì)MMA7260Q的供電電壓在2. 23. 6V之間，輸出信號(hào)在03V以，電源本采用3.3伏電壓供電 ，而且輸出的信號(hào)可直接輸入STC12的A/D通道而不必對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行變換。MMA7260Q與STC12單片機(jī)的接口電路如圖2.4所示。圖2.4接口電路

13、圖本文應(yīng)用中選擇g值為1.5g，加速度傳感器靈敏度選擇引腳g-select1、g-select2全部接為低電平。計(jì)算公式如公式2-1所示。=1.65 （2-1）=800mv/g，=0.852.45之間變化給MMA7260Q的12引腳（）提供高電平，即不是工作在睡眠模式。MMA7260Q部使用開關(guān)電容作為濾波器，為降低時(shí)鐘帶來的噪聲，在輸出通道上采用簡單的RC濾波，在輸出通道上使用1k的電阻和0. 1F的電容構(gòu)成RC濾波器即可(如圖5， XOUT、YOUT、ZOUT ) 。另外，A / D采樣率的選擇不能干擾加速度計(jì)采樣頻率(11kHz) ，以防混疊誤差。2.3 LED顯示模塊2.3.1 SPI

14、簡介1SPI簡介串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，簡稱SPI）實(shí)際上是一種串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，SPI方式可允許同時(shí)同步接收和傳送8位數(shù)據(jù)，是一種全雙工串行總線。其速度比UART串行接口要快。SPI支持在同一總線上將多個(gè)從機(jī)連接到一個(gè)主機(jī)。同一總線上也可以有多個(gè)主機(jī)，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)試圖同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要進(jìn)行碰撞檢測(cè)11。STC12C5410AD單片機(jī)集成了SPI接口，它是一個(gè)全雙工高速同步通信接口，既可以和其他微處理器通信，也可以與具有SPI兼容接口的器件，如存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、LED或LCD驅(qū)動(dòng)器等進(jìn)行同步通信。SPI也可以在一個(gè)多主機(jī)

15、系統(tǒng)中負(fù)責(zé)部處理器之間的通信。SPI接口有兩種操作模式：主模式和從模式。在主模式中支持高達(dá)3Mbit/s的速率（工作頻率為12MHz時(shí)，如果CPU主頻采用20MHz到36MHz，則可更高）；從模式時(shí)速度無法太快，速度在fosc/8以較好。此外，SPI接口還具有傳輸完成標(biāo)志和寫沖突標(biāo)志保護(hù)功能。SPI接口由MISO（與P1.6共用）、MOSI（與P1.5共用）、SCLK（與P1.7）和/SS（與P1.4共用）4根信號(hào)線構(gòu)成。2SPI接口的數(shù)據(jù)通信過程在SPI中，傳輸總是由主機(jī)啟動(dòng)的。作為主機(jī)時(shí)，如果SPI使能（SPEN=1）并選擇作為主機(jī)，主機(jī)對(duì)SPI 數(shù)據(jù)寄存器的寫操作將啟動(dòng)SPI時(shí)鐘發(fā)生器和

16、數(shù)據(jù)的傳輸。在數(shù)據(jù)寫入SPDAT之后的半個(gè)到一個(gè)SPI位時(shí)間后，數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在MOSI引腳。需要注意的是，主機(jī)可以通過將對(duì)應(yīng)器件的/SS引腳驅(qū)動(dòng)為低電平實(shí)現(xiàn)與之通信。寫入主機(jī)SPDAT寄存器的數(shù)據(jù)從MOSI引腳移出發(fā)送到從機(jī)的MOSI引腳。同時(shí)從機(jī)SPDAT寄存器的數(shù)據(jù)從MISO引腳移出發(fā)送到主機(jī)的MISO引腳。傳輸完一個(gè)字節(jié)后，SPI 時(shí)鐘發(fā)生器停止，傳輸完成標(biāo)志（SPIF）置位并產(chǎn)生一個(gè)中斷（如果SPI中斷使能）。主機(jī)和從機(jī)CPU的兩個(gè)移位寄存器可以看作是一個(gè)16位循環(huán)移位寄存器。當(dāng)數(shù)據(jù)從主機(jī)移位傳送到從機(jī)的同時(shí)，數(shù)據(jù)也以相反的方向移入。這意味著在一個(gè)移位周期中，主機(jī)和從機(jī)的數(shù)據(jù)相互交換。2

17、.3.2顯示功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)前角度，角度下限值和時(shí)間都采用LED數(shù)碼管來顯示。顯示當(dāng)前角度用到4位數(shù)碼管，顯示上下限報(bào)警值時(shí)要同時(shí)顯示，用到4位數(shù)碼管，時(shí)間顯示當(dāng)前的分秒。所以系統(tǒng)用8個(gè)數(shù)碼管就可以完成顯示功能。采用該單片機(jī)的SPI串行接口進(jìn)行控制，需要把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在并行數(shù)據(jù)來控制數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)選74HC595有8位串行輸入/輸出或者并行輸出功能的芯片。74HC595是具有8位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲(chǔ)器是分別的時(shí)鐘。移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入（Ds），和一個(gè)串行輸出（Q7），和一個(gè)異步的低電平復(fù)位，存儲(chǔ)寄存器有一個(gè)并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時(shí)

18、（為低電平），存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線，輸出寄存器可以直接清除100MHz的移位頻率。/G(13腳): 高電平時(shí)禁止輸出（高阻態(tài)）。用一個(gè)引腳控制它，可以方便地產(chǎn)生閃爍和熄滅效果。74595的主要優(yōu)點(diǎn)是具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，在移位的過程中，輸出端的數(shù)據(jù)可以保持不變。這在串行速度慢的場(chǎng)合很有用處，數(shù)碼管沒有閃爍感。系統(tǒng)首先由SPI分別向兩片74HC595先發(fā)送段碼再發(fā)送位碼，兩片74HC595實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管段碼和位碼的控制，顯示方式采用動(dòng)態(tài)掃描方式。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象與發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，

19、給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。顯示模塊電路如圖2.5，2.6所示圖2.5單片機(jī)與74HC595連接圖圖2.6LED驅(qū)動(dòng)電路2.4單片機(jī)編程下載與串口通訊設(shè)計(jì)該系列單片機(jī)是采用串口下載用戶程序，有在系統(tǒng)編程功能。目前采用RS232接口與計(jì)算機(jī)通信，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，支持熱插拔的USB標(biāo)準(zhǔn)接口將取代RS232接口，因此計(jì)算機(jī)將越來越少配置甚至不配置RS232接口。RS232接口與USB接口雖然都屬于串行接口，但它們的數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議、信號(hào)電平以與機(jī)械連接方式則不同。這樣單片機(jī)不能編程下載和和上位機(jī)通訊，這樣給開發(fā)帶來了麻煩。解決這一問題就得把現(xiàn)有的單片機(jī)異步通訊接口轉(zhuǎn)換成

20、USB接口。方案是采用USBRS232橋接器件如CP2102，CP2103進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)通過USB接口虛擬一個(gè)RS232接口，與傳統(tǒng)設(shè)備器件連接，設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)接口的形式為USB接口。設(shè)計(jì)現(xiàn)在CP2102來實(shí)現(xiàn)RS232USB之間的轉(zhuǎn)換。Silicon Laboratories公司推出的USB接口與RS232接口轉(zhuǎn)換器CP2102CP2103是一款高度集成的USB-UART橋接器，提供一個(gè)使用最小化元件和PCB空間來實(shí)現(xiàn)RS232轉(zhuǎn)換USB的簡便解決方案。CP2102CP2103包含了一個(gè)USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART)。CP21

21、02CP2103作為USBRS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面可以從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面可從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送至主機(jī)，其中包括控制和握手信號(hào)。圖2.7是CP2102與USB接口圖，該芯片可以從USB接口處獲取電源。R，T分別接單片機(jī)的TXD（發(fā)射端）和RXD(接收端)。圖2.7 CP2102與USB接口2.5 DS1302簡介DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘

22、可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小與31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá)2.55.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302的外部引腳分配如圖2.8所示。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中12。圖2.8 DS1302電路連接圖2.6 微控制器模塊2.6.1 STC12系列單片機(jī)簡介宏晶STC12C5410AD單片機(jī)是新一代單片機(jī)，它主要特點(diǎn)是高速，高可靠，寬電壓，低功耗，超強(qiáng)抗干擾，無法解密11。

23、該單片機(jī)有以下性能：1) 高速：1個(gè)時(shí)鐘周期/機(jī)器時(shí)間，增強(qiáng)8051核，速度比普通51單片快812倍。2) 寬電壓：5.5V3.5V，2.2V3.8V(STC12LE5410AD系列)。3) 低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式，掉電模式（可由外部中斷喚醒）。4) 工作頻率：035MHz，相當(dāng)于普通8051:0420MHz。5) 12K/10K/8K/6K/4K/2K字節(jié)片的程序Flash存儲(chǔ)器，可以擦寫10萬次以上 6) 512字節(jié)片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ，部集成了2K字節(jié)的數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器（EEPROM）。7) ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無需編程器和仿真器。8) 10位ADC，8通道STC12

24、C2052AD為8位ADC，4路PWM可選，4通道捕獲/比較功能（PWM/PCA/CCU）-可用來再實(shí)現(xiàn)4個(gè)定時(shí)器或四個(gè)外部中斷（支持上升沿/下降沿中斷）9) 6個(gè)16位定時(shí)器，包括T0、T1，PCA也是4個(gè)定時(shí)器。10) 硬件看門狗（WTD），高速SPI通訊接口，全雙工異步串行口通訊（UART）兼容普通8051串口。11) 通用I/O口，可以設(shè)置為4種工作模式，有準(zhǔn)雙向口/弱上拉，僅為輸入/高阻，開漏，推挽/強(qiáng)上拉。每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過55mA.選擇STC12C5410AD單片機(jī)為主控器件，單片機(jī)的片上資源能滿足系統(tǒng)的功能要求，減少了外圍器件，加強(qiáng)了系統(tǒng)

25、的抗干擾能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低了開發(fā)成本和開發(fā)難度。2.6.2單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)1) MMA7260Q與單片機(jī)的接口。單片機(jī)STC12C5410AD的P1為通用數(shù)字I/O與12位AD轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道復(fù)用端口。本文中使用MSP430F1612的P1.0/ADC0、P1.1/ADC1、P1.2/ADC2作為模擬輸入通道，分別與加速度傳感器MMA7260Q三軸向模擬信號(hào)輸出XOUT、YOUT、ZOUT連接，實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)的采集；。MMA7260Q與STC12C5410AD接口電路如圖2.9所示。圖2.9 MMA7260Q與MSP430接口示意圖2) 74HC595與單片機(jī)接口單片機(jī)的 SPI由

26、MISO（與P1.6共用）、MOSI（與P1.5共用）、SCLK（與P1.7）和/SS（與P1.4共用）4根信號(hào)線構(gòu)成。由于只是選擇主機(jī)模式故/SS信號(hào)線不用。74HC595與單片機(jī)接口電路如圖2.10所示圖2.10 74HC595與單片機(jī)接口2.7 其他電路設(shè)計(jì)2.7.1鍵盤電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉與到壓力的上下限報(bào)警值的設(shè)定，時(shí)間的設(shè)定，由于沒有過多的鍵，考慮到單片機(jī)的I/O口，所以用獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)，如圖2.11所示。 接收按鍵信號(hào)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)前沿和后沿抖動(dòng)， 采用用軟件延時(shí)的辦法消除抖動(dòng)13。圖2.11 鍵盤電路設(shè)計(jì)2.7.2聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警功能主要是角度超過設(shè)定的上線報(bào)警值或低于設(shè)定的下

27、線報(bào)警值時(shí)候會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)采用較為常用的方案設(shè)計(jì)聲光報(bào)警。聲音報(bào)警用蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)，光報(bào)警采用高亮度紅光LED來實(shí)現(xiàn)。報(bào)警聲音可以有高低報(bào)警，LED閃爍報(bào)警14。原理圖如圖2.12所示。 圖2.12聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)3 軟件設(shè)計(jì)軟件采用Keil uVision3作為下位機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。3.1數(shù)據(jù)處理3.1.1 角度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)MMA7260Q輸出為模擬信號(hào)，采集過程需進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。 STC12C5410AD單片機(jī)集成有8路高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。，它是一種逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到100KHz（10萬次/秒），10位的轉(zhuǎn)換精度，ADC輸入通道與P1口復(fù)用，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型

28、I/O口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D 使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。A/D采樣率的選擇不能干擾加速度計(jì)采樣頻率(11kHz) ，以防混疊誤差。AD轉(zhuǎn)換頻率： 11.0592MHZ/210=52khz 52khz/2=26khzA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算公式如下:（ADC_DATA7:0，ADC_LOW21:0）= 1024×Vin/Vcc其中，Vin為模擬輸入通道輸入電壓，Vcc為單片機(jī)實(shí)際工作電壓，用單片機(jī)工作電壓作為模擬參考電壓。數(shù)據(jù)采集子程序流程圖如圖3.1所示。圖3.1數(shù)據(jù)采集子程序流程圖3.1.2 數(shù)字濾波與工程變換部分 采樣結(jié)束后進(jìn)行

29、數(shù)字濾波，數(shù)字濾波有多種方式，由于角度變化，可慢可快，所以為了適應(yīng)快速變化的角度的測(cè)量，相比之下，采用了均值濾波，由于它實(shí)現(xiàn)簡單，占用單片機(jī)的資源較少，是一種比較好的選擇。其濾波效果與所選擇的采樣次數(shù)有關(guān)，次數(shù)越大，效果越好，但花費(fèi)時(shí)間越長15。-濾波程序- float filter(void)/AD濾波 平均值濾波 float sum=0; float ad_data; char count; for(count=0;count<N;count+) sum+=Get_data(); return (sum/N); 將濾波后的結(jié)果帶入公式： 800 (3.1)就可以得到角度值。以下為程序

30、代碼:int ChengeADtoAngle(float m1) /m1為數(shù)字量 float q2，q1; q1=(m1/1023)*4335; /q1為得到的電壓值 4335為實(shí)際單片機(jī)的電壓值q2=(q1-1650)/800); /分子分母同時(shí)擴(kuò)大1000倍 return(572.96*asin(q2); / 將角度 擴(kuò)大10倍3.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分為了觀察角度的變化與對(duì)角度的歷史數(shù)據(jù)經(jīng)行分析，需要將該數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄。這種記錄對(duì)數(shù)據(jù)的分析與對(duì)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義若采用單片機(jī)計(jì)時(shí)，一方面占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費(fèi)單片機(jī)資源。DS1302時(shí)

31、鐘芯片可以用于時(shí)間記錄，很好地解決了這個(gè)問題。STC12C5410AD單片機(jī)部集成了2K字節(jié)的數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器（EEPROM），地址圍是2800H2FFFH。這2K字節(jié)的數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器分為4個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包含512字節(jié)。數(shù)據(jù)Flash擦除只有扇區(qū)擦除，沒有字節(jié)擦除。對(duì)于數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)器的操作有三個(gè)基本命令，分別是字節(jié)讀、字節(jié)編程和扇區(qū)擦除。進(jìn)行字節(jié)編程時(shí)，只能將“1”改為“0”，或“1”保持為“1”，“0”保持為“0”。考慮到數(shù)據(jù)Flash只有扇區(qū)擦除，所以將數(shù)據(jù)按扇區(qū)存儲(chǔ)，不按字節(jié)數(shù)存儲(chǔ)。 角度數(shù)據(jù)分為整數(shù)和小數(shù)部分存儲(chǔ)，這是由于用UART傳輸方便而定的。角度數(shù)據(jù)再加上時(shí)間標(biāo)

32、簽共9個(gè)字節(jié)。稱之為一個(gè)數(shù)據(jù)塊。每個(gè)扇區(qū)可存儲(chǔ)56個(gè)數(shù)據(jù)塊。考慮到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，于是采取的這樣的存儲(chǔ)方法：采樣的角度值與上一次的角度值比較，如果相差不大的話，則舍棄本次角度值，如果相差很大，則經(jīng)進(jìn)行存儲(chǔ)，程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序部分子程序/-扇區(qū)擦除功能-void sector_erase(unsigned int addr) /送地址 ISP_CONTR = 0x83; /系統(tǒng)工作時(shí)鐘<12Mhz 打開IAP功能 ISP_CMD = 0x03; /3為扇區(qū)擦除功能 ISP_ADDRH = addr>>8;/-地址右移八位取高地址 ISP_ADD

33、RL = addr&0x00ff; EA=0; /以免中斷打斷 ISP_TRIG = 0x46; ISP_TRIG = 0xb9; EA=1; iap_disable();/-字節(jié)編程-void byte_program(unsigned int addr， char dat) /送地址addr 和數(shù)據(jù) dat ISP_CONTR = 0x83; ISP_CMD = 0x02; /2為字節(jié)編程 ISP_ADDRH = addr>>8; ISP_ADDRL = addr&0x00ff; ISP_DATA = dat; EA=0; ISP_TRIG = 0x46; IS

34、P_TRIG = 0xb9; EA=1; iap_disable();/-字節(jié)讀功能-unsigned char byte_read(unsigned int addr)/送地址 unsigned char dat; ISP_CONTR = 0x83; ISP_CMD = 0x01;/1為字節(jié)讀功能 ISP_ADDRH = addr>>8; ISP_ADDRL = addr&0x00ff; EA=0; ISP_TRIG = 0x46; ISP_TRIG = 0xb9; dat= ISP_DATA; EA=1; iap_disable(); return(dat);3.3 D

35、S1302軟件設(shè)計(jì)DS1302是SPI總線驅(qū)動(dòng)方式。它要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。1) DS1302的控制字節(jié)表 4.1 DS1302的控制字1RAMA4A3A2A1A0RD/CK/WRDS1302 的控制字如圖所示。控制字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中。位6如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。2) 數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O) 在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入

36、DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。3) DS1302的寄存器 DS1302有12個(gè)寄存器，其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式，其日歷、時(shí)間寄存器與其控制字見表2。此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時(shí)鐘突發(fā)寄存器與與RAM相關(guān)的寄存器等。表4.2 DS1302的控制字和各寄存器名稱命令字取值圍寫操作讀操作 秒寄存器80H81H00-99 分寄存器82H83H00-99 時(shí)寄存器84H85H112或00-23 日寄存器86H87H

37、0128，29 月寄存器88H89H01-12 周寄存器8AH8BH01-07 年寄存器8CH8DH00-99開始變量初始化使DS1302不具有寫保護(hù)復(fù)位產(chǎn)生1個(gè)高電平寫DS1302地址延時(shí)一段時(shí)間向該地址寫數(shù)據(jù)復(fù)位產(chǎn)生1個(gè)高電平數(shù)據(jù)寫完?寫DS1302地址延時(shí)一段時(shí)間讀該地址寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀完?顯示數(shù)據(jù) 圖3.3 DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘流程圖部分程序：/-Ds1302-void DS1302InputByte(unsigned char d) /實(shí)時(shí)時(shí)鐘寫入一字節(jié)(部函數(shù)) unsigned char i; ACC = d; for(i=8; i>0; i-) DS1302_IO = ACC

38、0; DS1302_CLK = 1; DS1302_CLK = 0; ACC = ACC >> 1; unsigned char DS1302OutputByte(void) /實(shí)時(shí)時(shí)鐘讀取一字節(jié)(部函數(shù)) unsigned char i; for(i=8; i>0; i-) ACC = ACC >>1; ACC7 = DS1302_IO; DS1302_CLK = 1; DS1302_CLK = 0; return(ACC); void Write1302(unsigned char ucAddr， unsigned char ucDa)/ucAddr: DS1

39、302地址， ucData: 要寫的數(shù)據(jù) DS1302_RST = 0; DS1302_CLK = 0; DS1302_RST = 1; DS1302InputByte(ucAddr); / 地址，命令 DS1302InputByte(ucDa); / 寫1Byte數(shù)據(jù) DS1302_CLK = 1; DS1302_RST = 0;unsigned char Read1302(unsigned char ucAddr)/讀取DS1302某地址的數(shù)據(jù) unsigned char ucData; DS1302_RST = 0; DS1302_CLK = 0; DS1302_RST = 1; DS1

40、302InputByte(ucAddr); / 地址，命令 ucData = DS1302OutputByte(); / 讀1Byte數(shù)據(jù) DS1302_CLK = 1; DS1302_RST = 0; return(ucData);3.4鍵盤功能設(shè)置在軟件的編寫上，可以采用軟件查詢方式對(duì)按鍵進(jìn)行識(shí)別16。讀鍵子程序如圖3.4所示。鍵值功能設(shè)計(jì)：系統(tǒng)默認(rèn)顯示的是當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)前角度值，當(dāng)?shù)谝淮伟聪耂1時(shí)，顯示切換到角度上下限的顯示，第二次按下調(diào)節(jié)角度下限的小數(shù)位，第三次按下調(diào)節(jié)角度下限的個(gè)位，依次按下，依次調(diào)節(jié)各位。S2作為調(diào)節(jié)角度上下限時(shí)的加一與角度正負(fù)號(hào)的切換用。S3作為調(diào)節(jié)角度上下限時(shí)的減

41、一與角度正負(fù)號(hào)的切換用。S4作為調(diào)節(jié)完畢后返回當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)前角度值顯示之用。鍵盤功能程序代碼請(qǐng)見附錄。鍵盤識(shí)別程序代碼如下。定時(shí)掃描有鍵按下？延時(shí)4ms有鍵按下？延時(shí)4ms讀取鍵值開始圖3.4讀鍵子程序/-獲取鍵值-void getkey(void)if(P00=0&&key_last0=1) delay_flag=0; /delay_flag在定時(shí)器中4ms到置1 while(delay_flag=0); /延時(shí)4ms，去抖動(dòng)if(P00=0&&key_last0=1)key_num=0;key_last0=0; delay_flag=0; /去抖動(dòng)while

42、(delay_flag=0); /延時(shí)4ms，去抖動(dòng) else if(P00=1) key_last0=1; else if(P00=1) key_last0=1;if(P01=0&&key_last1=1) delay_flag=0;while(delay_flag=0); /去抖動(dòng)if(P01=0&&key_last1=1)key_num=1; key_last1=0;delay_flag=0;while(delay_flag=0); /延時(shí)4ms，去抖動(dòng) else if(P01=1) key_last1=1; else if(P01=1) key_last

43、1=1;if(P02=0&&key_last2=1) delay_flag=0; while(delay_flag=0); /延時(shí)4ms，去抖動(dòng)if(P02=0&&key_last2=1)key_num=2; key_last2=0;delay_flag=0; /去抖動(dòng) while(delay_flag=0); /延時(shí)4ms，去抖動(dòng) else if(P02=1) key_last2=1; else if(P02=1) key_last2=1;if(P03=0&&key_last3=1) delay_flag=0; while(delay_flag

44、=0); /延時(shí)4ms，去抖動(dòng)if(P03=0&&key_last3=1)key_num=3; key_last3=0;delay_flag=0;while(delay_flag=0); /延時(shí)4ms，去抖動(dòng) /去抖動(dòng) else if(P03=1) key_last3=1; else if(P03=1) key_last3=1;3.5 通信部分上位機(jī)與單片機(jī)通信按應(yīng)答方式經(jīng)行。由上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送一組命令數(shù)據(jù)，單片機(jī)受到命令經(jīng)過分析后認(rèn)為正常，則按照命令執(zhí)行操作。將操作結(jié)果返回給上位機(jī)。若經(jīng)過分析認(rèn)為不正常，則返回給上位機(jī)出錯(cuò)信息。單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)的方式考慮了兩種，第一

45、種是等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量存滿了后在一塊發(fā)，這種方式實(shí)時(shí)性不夠，為了使角度數(shù)據(jù)的變化能夠與時(shí)的傳到上位機(jī)，采用定時(shí)發(fā)送，定時(shí)時(shí)間和上傳的次數(shù)由上位機(jī)來定，這樣一來就解決了實(shí)時(shí)性問題。由于是定時(shí)發(fā)送，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析知道上位機(jī)收到的數(shù)據(jù)可能有重復(fù)的，或者是有FF字樣。這可由時(shí)間標(biāo)簽，加以區(qū)分，而FF為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器未寫進(jìn)的字節(jié)單元，通過上位機(jī)軟件可以濾除。上位機(jī)用串口調(diào)試助手來進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，為了使數(shù)據(jù)直觀，命令碼全部使用BCD碼，由單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)也使用BCD碼存儲(chǔ)。上位機(jī)給單片機(jī)的指令為：報(bào)文開始識(shí)別字（STX）命令碼（CMD）報(bào)文結(jié)束（ETX）容0XEECC0XFF字節(jié)數(shù)1視命令定11) 0x10:上

46、傳數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中角度數(shù)據(jù)命令格式:0xEE 0x100x01/00 0xXX0xYY/00 0xFF第二字節(jié) 01 表示允許上傳數(shù)據(jù) 00 表示不允許上傳數(shù)據(jù)第三字節(jié) XX表示隔多少時(shí)間上傳一次第四字節(jié) 表示上傳多少次數(shù)據(jù)。00表示不受限制，YY表示實(shí)際次數(shù)（不能為00）。2) 0x11:上傳報(bào)警次數(shù)命令格式:0xEE 0x11 0xff3) 0x12:上傳角度上下限命令格式:0xEE 0x12 0xff4) 0x13:接收設(shè)定上下限角度命令格式:0xEE 0x13 0xXX0xYY 0xZZ0x 0xWW 0xRR 0xffXX:表示上限正負(fù)號(hào)，為1為正，非1為負(fù)YY:表示上限的整數(shù)部分ZZ:

47、表示上限的小數(shù)部分 :表示下限正負(fù)號(hào)，為1為正，非1為負(fù)WW:表示下限的整數(shù)部分RR:表示下限的小數(shù)部分5) 0x14:接收設(shè)定時(shí)間命令格式： 0xEE 0x140xXX 0xXX0xXX0xXX0xXX 0xXX 0xXX 0xFF 從左到右依次為 秒、分、 時(shí)、 日、 月 、星期 、年6) 其他 ：命令錯(cuò)誤返回給上位機(jī)的值為：0xEE33 30300xFF3.6 其他部分軟件設(shè)計(jì)3.6.1 報(bào)警部分軟件設(shè)計(jì)：報(bào)警采用輸出不同占空比的PWM波形，通過音調(diào)高低的變化來實(shí)現(xiàn)高于上限獲低于下限的報(bào)警。同時(shí)加有LED燈的閃爍。并對(duì)上限和下限報(bào)警分別計(jì)數(shù)，方便向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)。報(bào)警計(jì)數(shù)需要注意的是：怎

48、樣區(qū)別相鄰兩次的不同報(bào)警與不論一次報(bào)警時(shí)間的長短，都屬于一次報(bào)警。通過設(shè)置標(biāo)志位，很好的解決了這個(gè)問題。程序代碼如下：/-報(bào)警程序-void Alarm(int temp) int temp0; temp0=temp; if(temp0<=HIlimit)&&(temp0>=LOWlimit) Stop_alarm(); stop=0; /若在正常圍，則停止報(bào)警 else if(temp0>=HIlimit) Start_HIalarm(); Is_HIalarm=1; Is_LOWalarm=0; H_is_add=1; stop=1; L_is_add=0

49、; /超過上限時(shí)，進(jìn)行上限報(bào)警 else if (temp0<=LOWlimit) Start_LOWalarm(); Is_HIalarm=0; Is_LOWalarm=1; L_is_add=1; stop=1; H_is_add=0; /低于下限時(shí)，進(jìn)行下限報(bào)警if(Is_HIalarm=1)&&(stop=0)&&(Is_LOWalarm=0)&&(H_is_add=1) if(h_Alarm_Time=255)h_Alarm_Time=0; h_Alarm_Time+; H_is_add=0;if(Is_LOWalarm=1)&a

50、mp;&(stop=0)&&(Is_HIalarm=0)&&(L_is_add=1) if(l_Alarm_Time=255)l_Alarm_Time=0; l_Alarm_Time+; L_is_add=0; 3.6.2 LED顯示程序設(shè)計(jì)顯示采用動(dòng)態(tài)掃描的方法，即輪流點(diǎn)亮各數(shù)碼管。顯示的位碼和段碼分別通過單片機(jī)SPI口的MOSI輸出到兩個(gè)74HC595來控制。要顯示的數(shù)據(jù)有：當(dāng)前時(shí)間，當(dāng)前角度值，角度的上限值和角度的下限值。由鍵盤控制顯示容。角度值的圍是-90.0-+90.0之間 最高位有零消隱功能，當(dāng)調(diào)節(jié)角度上下限時(shí)，可實(shí)現(xiàn)位閃爍。SPI發(fā)送位碼和

51、段碼程序如下所示：void sendspi(unsigned char spidata，unsigned char isBit) unsigned char t，spi1_status=0; SPDAT=spidata; while(spi1_status=0) /等傳輸完畢 spi1_status=SPSTAT;spi1_status=spi1_status&0x80; if (isBit=1) P21=1;for(t=0;t<15;t+); P21=0; /位鎖存信號(hào)輸出 else P11=1;for(t=0;t<15;t+); P11=0; /段鎖存信號(hào)輸出 SPSTAT=0xC0; /寫1清SPIF標(biāo)志位EA=1;4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與傾角測(cè)試原理4.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果由于測(cè)試條件有限，與板子的焊接也存在誤差。