如何实现基于STM32的倾斜仪设计？

1332 STM32 倾斜仪加速度传感器硬件设计

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2022-2-15 06:04:43　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 20 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 18 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 17 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 16 个回答。邀请回答科源机电该类别下有 15 个回答。邀请回答 liutiefu 该类别下有 15 个回答。邀请回答 kghfh 该类别下有 14 个回答。邀请回答 723662364d 该类别下有 13 个回答。邀请回答一巷清苑该类别下有 13 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 13 个回答。邀请回答 dgfdf 该类别下有 13 个回答。邀请回答 hjhdf 该类别下有 12 个回答。邀请回答 efwedfd 该类别下有 12 个回答。邀请回答小华同学该类别下有 12 个回答。邀请回答 jsqueh 该类别下有 12 个回答。邀请回答红旧衫该类别下有 12 个回答。邀请回答早知该类别下有 12 个回答。邀请回答 Ehunt 该类别下有 12 个回答。邀请回答张峰9998 该类别下有 12 个回答。邀请回答 hy381 该类别下有 12 个回答。邀请回答举报恐龙之家相关推荐 • 怎样去设计一种基于STM32F103R8T6的倾斜仪呢 1178 • 可以用陀螺仪测量倾斜角度吗？ 226 • 怎样使得‘陀螺仪鼠标’能随着你的倾斜程度改变鼠标方向 4316 • 倾斜计怎么实现指示倾斜方向的？ 891 • 倾斜角传感器的测量原理是什么？ 3978 • 如何用STM32实现一个电子罗盘？ 2047 • 如何利用陀螺仪来更新STEVAL-MKI182V2评估板的倾斜测量和电子罗盘数据呢？ 248 • 用图像处理可以判断出倾斜角度吗 2287 • 请问怎样在LabVIEW中实现柱状图横轴字体的倾斜？ 6108 • 如何利用SCA3000和LPC2210设计三轴倾斜角智能传感器？ 1526 1个回答

开一篇博客记录一下自己的毕设工作。
在此次设计中，我们选用stm32作为控制核心和处理核心，并辅以485通信，可以实现倾斜仪与上位机的通信功能。
在设计完成之后，我们将其应用于工业现场，测量吊篮的倾斜角，通过485通信传给上位机，上位机可以利用倾斜数据做出相应的控制。同时，我们所研发的倾斜仪还具有自动报警功能，当被测平面与水平面之间的夹角超过一定的阈值时，装置会发出警示，且操作人员可以随时通过上位机对此阈值进行修改，以适应不同场合的需求。
首先介绍一下硬件部分设计：
2.1总体框架

本设计的硬件框架主要由以下几个部分组成：传感器电路、信号调理电路、单片机处理电路和通信电路。除此之外，附加了OLED显示电路，从而可以于将角度数据实时显示出来。结构框图如图2-1所示。

                                                                        图2-1 硬件结构框图
当本产品工作时，倾角传感器将倾斜角信号转化为电信号输出，再由调理电路将输出的电信号进行滤波和放大，使得信号易于被单片机处理，再将信号输入至单片机的AD口。单片机接收到调理电路传来的电信号之后进行AD处理，并计算出被测平面的倾斜角，然后将角度信号以485通信的方式发送给上位机，同时利用OLED将角度值实时的表示出来。

2.2倾角传感器

在倾角传感器的选用上，结合前辈们的使用经验并分析了各种型号的传感器之后，本设计倾斜仪选用FXLN8361Q这款传感器。FXLN8361Q是飞思卡尔公司基于MEMS技术研发的差分电容式三轴加速度传感器，该芯片采用1.71V~3.76V直流电压供电，可以选择±2g或者±8g的量程。内部集成了从电容到电压的转换电路，运算放大器，输出跟随器等单元。[8]其内部结构如图2-2所示：

                                                                  图2-2 FXLN8361Q内部结构
芯片采用QFN进行封装，共有12个引脚。其中2脚为VCC；6脚和7脚为GND；4脚为使能引脚；5脚为量程选择引脚；8脚9脚和10脚为传感器的输出，分别输出三个轴的加速度值。
输出引脚的电压与加速度的关系如表2-1所示：
                                                                  表2-1 各轴加速度与输出电压的关系

模式	-1g	0g	+1g
2g	0.521V	0.750V	0.979V
8g	0.693V	0.750V	0.807V

当芯片与水平面之间的夹角发生变化时，其各轴的加速度值也会发生变化，于是导致了输出电压的变化，我们可以根据芯片的输出电压反向推导出各轴的加速度值，进而通过一定的数学公式就可以得到被测表面与水平面之间的夹角，达到倾斜仪的测量目的。
该芯片的典型应用电路如图2-3所示：


                                                               图2-3 FXLN8361Q传感器设计电路
在将芯片接入电路时，要注意以下几点：
a.2脚接的两个电容C19和C20要尽可能贴近芯片，这样可以更好地起到滤波的作用，防止电源带来的噪声干扰。
b.C21的作用是稳定输出电压。
c.使能端口必须要在VDD的电压大于1.71V之后才能置高，不然可能导致芯片无法启动工作。
d.每个输出引脚上应该接一个电容到地，这样在输出时起到一个滤波作用，使得输出的电压更加稳定。
e.在焊接时应使得芯片尽可能去贴合电路板，这样以便于芯片与被测平面保持在同一水平面。
2.3调理电路

在倾角芯片将倾斜角信号转化为电信号之后，CPU接收电信号之前，我们需要一个调理电路对倾角芯片产生的电信号进行处理，对其进行滤波放大的操作。由于倾角传感器是采用模拟输出，所以不可避免的会产生一定的噪声，为了尽可能减少噪声对测量结果的影响，我们在芯片产生电信号之后接入这个调理电路。经过这个调理电路处理之后，可以使得传入CPU的电压信号更加稳定且易于处理和分析，提高系统的精度。
经过分析和比较，我们选用了二阶压控型低通有源滤波器作为我们调理电路的主体，[9]其电路结构如图2-4所示：


                                                                              图2-4 调理电路
根据运放的知识，在信号频率比较低的时候，各个电容可以视为开路，所以此电路的通带增益为：
Aνp=1+R12R11                         (2-1)
将此电路的输入电压设为Vi，输出电压设为Vo，且令R9=R10=R,C25=C26=C,可以得到如下结论：
V0=AνpV+                            (2-2)
V+=VN11+sCR                         (2-3)
Vi-VNR-VN-V0sC-VN-V+R=0                   (2-4)
联立(1)、(2)和(3)式，我们可以得到此滤波电路的传递函数为：
V0Vi=Aνp1+3-AνpsCR+(sCR)2                      (2-5)
根据电路的传递函数我们可以发现：此电路的通带增益不得大于3，否则电路将会无法稳定工作。在设计时我们令R12=R11，于是根据式(1)，我们所设计的电路的通带增益为：
Aνp=1+R12R11=2                      (2-6)
由于设计中FXLN8361Q芯片的输出为0.512V-0.979V，1g的加速度变化对应的是0.229V的电压变化。将此电压作为输入电压输入至此滤波电路，于是此电路的输出为1.024V-1.958V。输出电压的范围符合STM32的AD口识别范围，而且此时加速度每变化1g，CPU所读取的电压变化量为0.458V。在同等加速度变化的情况下，电压变化值翻倍，可以使得我们的计算结果更具分辨力，提高产品的测量精度。
在放大器芯片的选用上，本设计选择的是四路运放LM324。LM324是一款具有真差动输入的四路运算放大器，由四个独立的高增益的运算放大器组成。其封装为14脚的SOIC封装，带宽为1.2MHZ。与单电源应用场合的标准运算放大器相比具有一些显著的优势：此芯片的工作电压范围较普通的运放来说非常宽泛，可以工作在3.0V-32V的电源之下；而且其共模输出范围较大，无需采用外部偏置器件。
在设计完调理电路之后，为验证其正确性，我们在multisim中对此调理电路做了简单的仿真，观察结果是否符合我们的预期。仿真设计如图2-5所示：

                                                                           图2-5 调理电路仿真电路图
在输入端接上1V的阶跃信号之后，我们可以通过示波器观察到此时的输出信号，如图2-6所示：

                                                                        图2-6 调理电路仿真结果
观察仿真结果，我们可以发现此电路可以很好的将输入信号放大两倍之后输出，符合我们的需求。值得一提的是，这个放大电路的通带增益必须小于3，在设计之初由于没有考虑到这一点导致输出电压不稳定，无法读出角度值，至于原因在上文中的公式2-5已经提及，此处就不再赘述。