如何实现基于STM32的倾斜仪设计？

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孙瑞军

2022-2-15 11:00:17

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：