電子科技大學 涂浩翰 廖永波 劉 憶 高 陽

基于MSP430的高精度角度測量傳感器設(shè)計

電子科技大學 涂浩翰 廖永波 劉 憶 高 陽

目前很多重要的測控儀器如陀螺轉(zhuǎn)臺、慣導平臺、經(jīng)緯儀、星體跟蹤器、雷達、導彈發(fā)射架、空間望遠鏡、高精度數(shù)控機床、機器人等系統(tǒng)中一般都需要角度傳感器，用以測量被測物體相對于某基準方位的絕對轉(zhuǎn)角或相對于自身在不同時刻的相對轉(zhuǎn)角。本系統(tǒng)以MSP430單片機最小系統(tǒng)為核心，通過BM2502芯片和數(shù)碼管顯示部分設(shè)計了一款實現(xiàn)高精度測量的角度傳感器。

MSP430單片機；BM2502芯片；高精度角度測量；傳感器

1. 工作原理及系統(tǒng)組成

BM2502為北京時代民芯科技有限公司研發(fā)的一款線性霍爾傳感電路，可以精確輸出與磁場成正比的電壓信號。高精度角度傳感器利用利用BM2502霍爾芯片優(yōu)良的輸出特性，將機械結(jié)構(gòu)的角度變化轉(zhuǎn)換為磁場的變化，從而引起霍爾芯片輸出電壓變化，然后通過A/D采集電路將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最終通過數(shù)字信號處理得到角度變化值，從而實現(xiàn)高精度角度測量，其原理如圖1所示。

圖1 基本原理圖

高精度角度傳感器系統(tǒng)由MSP430單片機、BM2502霍爾元件、帶磁鐵的機械部分和顯示電路組成。單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分的工作，同時通過內(nèi)部的A/D采樣模塊對霍爾元件的輸出進行數(shù)字采樣，在內(nèi)部的軟件算法處理后，將最終的角度值通過數(shù)碼管進行顯示。

2. 角度算法原理

2.1 電壓與磁場的變化關(guān)系

BM2502為小型、通用、線性霍爾效應傳感器，其輸出信號電平?jīng)Q定于施加在器件敏感面的磁場強度，隨磁場強度成比例地變化。當芯片處于零磁場條件時，其輸出電壓是電源電壓的一半。S 磁極出現(xiàn)在標記面時，輸出電壓將隨磁場強度增加而線性升高；相反，N 磁極將使輸出電壓隨磁場強度增加而線性降低。BM2502 具有低噪聲輸出的特點，不再需要采用外部濾波。它還包括薄膜式電阻，能提高溫度的穩(wěn)定性和準確性。該傳感器有著良好的線性度，并且輸出電壓與供電電壓成正比，于是，我們讓其置于均勻磁場空間內(nèi)，如圖2所示：

圖2 傳感器空間結(jié)構(gòu)

以傳感器的正面正對磁鐵的某一極，并以垂直時候的最大輸出（或最小輸出）為基準，作為0°，若其磁感線與傳感器正表面有角度偏移，設(shè)其偏移角為θ，對其磁場進行矢量分解，如圖3所示：

圖3 磁感線矢量分解

由圖可知，有效作用的磁場強度為Bsinθ，故機械的角度變化值與霍爾元件的輸出電壓為正弦變化的關(guān)系，即通過輸出電壓求取反三角函數(shù)便能得到對應的角度值。

2.2 角度值算法

由于三角函數(shù)為非線性函數(shù)，同時在求取但三角函數(shù)值的時候，存在不同象限的兩個不同角度值對應相同輸出電壓的情況，所以一片霍爾芯片無法確定具體角度值，在實際中我們選用兩個垂直的BM2502芯片對角度進行測量。示意圖如下圖4所示：

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

由圖可知，角度測量部分主要由一個基準芯片和一個調(diào)整芯片構(gòu)成。在工作中，首先由基準芯片的輸出采樣值計算出與基準線的夾角范圍，然后通過調(diào)整芯片的輸出值得出夾角的確定值。

設(shè)data輸出的電壓去增益和去幅值變換后的單位三角函數(shù)量，經(jīng)過分析后，在0～360度范圍內(nèi)的計算公式分別是：

①arcsin(data)（在0～90度范圍內(nèi)）；②180-arcsin(data)（d在90～180度范圍內(nèi)）；③180+arcsin(data)（在180～270度范圍內(nèi)）；④270+arcsin(data)（在270～360度范圍內(nèi)）。

3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 機械結(jié)構(gòu)

由上述原理可知，角度偏差是由磁感線與芯片平面夾角的改變而引起的。這里需要一個恒定磁場，且磁場方向可旋轉(zhuǎn)變化，這里我們設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 傳感器機械結(jié)構(gòu)

由圖可很清楚看出，該機械結(jié)構(gòu)由兩個均勻的強磁鐵、旋轉(zhuǎn)軸，支撐結(jié)構(gòu)和霍爾元件構(gòu)成。其中要求磁鐵磁場強度足夠強、磁鐵體積足夠大（霍爾元件體積相對磁鐵可忽略不計），同時要求支撐結(jié)構(gòu)足夠穩(wěn)定。在實際設(shè)計中，選定市面上材質(zhì)為燒結(jié)釹鐵硼強力磁鐵（N35）。

3.2 采樣電路及元器件選型

（1）MSP430單片機介紹

MSP430系列單片機是TI公司近年來推出的一系列優(yōu)秀的混合型微處理器產(chǎn)品。MSP430單片機是一種基于RISC（精簡指令集單片機）的16為混合信號處理器，專門為滿足超低功耗需求而精心設(shè)計的單片機，同時具備很好的數(shù)字/模擬信號處理能力，具有智能外設(shè)、易用性、低成本、業(yè)界最低功耗等有益特性，能滿足儀器儀表、工業(yè)自動化、國防、家居智能化、醫(yī)療保健、只能農(nóng)業(yè)等多方面的需求環(huán)境。MSP430作為單片機最小系統(tǒng)的主控芯片，其特點如下：

●1.8V～3.6V超寬供電電壓；

●五種低功耗模式，從Standby模式喚醒時間小于6ms；

●0.1uA RAM，保持；

●0.8uA實時時鐘模式；

●2K RAM，60KB+256B Flash Memory（支持IAP）；

●片內(nèi)硬件乘法器支持四種乘法運算；

●兩個具有PWM輸出單元的16位定時器（TimerA3，TimerB7）；

●兩個UART接口，兩個SPI接口（與UART復用）；

●一個8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有片內(nèi)參考電壓源；

●一個模擬比較器，看門狗電路等。

在MSP430單片機選型上，由于市面上的MSP430F149較為常用也十分容易購買，同時不需要外接特殊A/D芯片就可以較高精度的A/D轉(zhuǎn)換。在考慮成本方面，選用MSP430F149單片機作為主控芯片和A/D轉(zhuǎn)換器也是一個重要的原因，其中單片機最小系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 MSP430F149最小系統(tǒng)

（2）A/D采樣模塊

MSP430F149單片機內(nèi)置了ADC12模塊，ADC12是一個12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，由以下幾個部分組成：輸入的16路模擬開關(guān)、ADC內(nèi)部電壓參考源、ADC12內(nèi)核、ADC時鐘源部分、采集與保持/觸發(fā)源部分、ADC數(shù)據(jù)輸出部分、ADC控制寄存器等。在轉(zhuǎn)換時會用到兩個參考基準電壓：一個是最大值，當模擬開關(guān)輸出的模擬量大于或者等于最大值時ADC的輸出數(shù)字量為滿量程，也就是0xfff，另一個則是最小值，當模擬開關(guān)輸出的模擬變量小于或者等于最小值時ADC內(nèi)核的輸出數(shù)字量為最低量程，也就是0x00。而且這兩個參考基準電壓是可以通過軟件來設(shè)置的。

（3）霍爾元件傳感器電路

由于霍爾元件的供電電壓為5V，而查手冊和實際測量時發(fā)現(xiàn)霍爾元件輸出管腳電壓值在1V-4V之間，同時由于程序編寫時，將采用內(nèi)部參考電壓2.5V，故將霍爾元件的輸出進行分壓，如圖7所示，采用兩個100k歐姆的電阻，通過獲取兩個串聯(lián)電阻中間點的電壓值最后乘以標定的倍數(shù)（倍數(shù)要通過實際標定后寫入程序中）來確定霍爾元件的實際輸出電壓值。

圖7 霍爾元件采樣部分電路

3.3 數(shù)碼管顯示電路

由于數(shù)碼管的良好特性，系統(tǒng)采用數(shù)碼管對角度值進行顯示。此次設(shè)計的數(shù)碼管電路由8段共陰級數(shù)碼管構(gòu)成，通過動態(tài)掃描的方式保證6個數(shù)碼管可以穩(wěn)定顯示。因為MSP430F149是一款低功耗的單片機、其I/O端口的驅(qū)動能力十分有限，所以在數(shù)碼管的端選信號、位選信號與單片機之間增加了兩片74HC573，用作緩沖驅(qū)動，這樣既可以正常驅(qū)動數(shù)碼管又可以保護單片機的I/O端口不會因為電流過大而損壞。

圖8 數(shù)碼管顯示電路

4. 參數(shù)標定與測試結(jié)果

4.1 單位化三角函數(shù)參數(shù)

（1）增益A的標定

（2）幅值（斜率）kB標定

在實際測試時，霍爾元件最大輸出電壓約為4V,最小電壓約為1V，而由BM2502芯片手冊的磁場強度與輸出電壓特性可知，在磁場變化的線性變化情況下，其斜率很容易得到約為1.5。故輸出公式可寫為：

4.2 測試結(jié)果

在檢查完電路焊接，排除短路斷路等情況后，接通電源，按下復位鍵將系統(tǒng)復位，然后將所有程序燒到芯片后，用手旋轉(zhuǎn)機械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸，觀察數(shù)碼管上顯示的數(shù)字與實際角度是否相符，在測試完畢之后就可進行實際的角度測量，實際效果圖如圖9所示。

測試結(jié)果：系統(tǒng)能夠很好的進行360度范圍內(nèi)的角度測量，通過實驗可以看出，在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸到80度左右的位置時，數(shù)碼管顯示為83.647度，基本滿足角度位置的判斷。實際測試中發(fā)現(xiàn)該角度傳感器在某一角度范圍內(nèi)精度也較高，能基本達到精度為0.05的指標。

圖9 角度顯示實際效果圖

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劉憶，男，電子科技大學碩士研究生。

高陽，男，電子科技大學碩士研究生。

涂浩翰（1993-），男，江西九江人，電子科技大學碩士研究生。

廖永波（1972-），男，電子科技大學副教授，博士。