蘇蓓蓓，杜 亮，錢(qián) 穎

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214028）

傾角檢測(cè)類(lèi)傳感器是一種用于測(cè)量物體在水平面與初始狀態(tài)下所成傾斜角度的測(cè)量工具，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，被廣泛應(yīng)用于橋梁檢測(cè)、農(nóng)用機(jī)械、航空航天、機(jī)械工程等領(lǐng)域[1-2]。在系統(tǒng)工程中，傾角類(lèi)傳感器多用于水平測(cè)量，從工作原理上可以分為“氣體擺”式、“固體擺”式以及“液體擺”式3種傾角傳感器[3]。STM32系列單片機(jī)由于其低功耗，性能可靠等特點(diǎn)具有廣泛的社會(huì)應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，文獻(xiàn)[4]為了能夠精確估算鋰電池儲(chǔ)電狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103RCT6的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的估算系統(tǒng)具有良好的估算能力。李彩琦等[5]為設(shè)計(jì)多圈轉(zhuǎn)角智能傳感器，利用STM32F 103C8T6微控制器對(duì)應(yīng)的電路作為數(shù)據(jù)處理模塊，設(shè)計(jì)的該傳感器精度高。目前常用的卡爾曼濾波算法[6]、互補(bǔ)濾波[7]、小波變換法[8-9]等方法對(duì)慣性測(cè)量器件的輸出進(jìn)行姿態(tài)角解算。文獻(xiàn)[10]針對(duì)單一傳感器在汽車(chē)電子駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)傾角測(cè)量中存在誤差和噪聲干擾等問(wèn)題，采用卡爾曼濾波法對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行融合并濾除干擾，設(shè)計(jì)了一種MEMS器件的汽車(chē)傾角傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案的測(cè)量誤差低于0.5°，該傾角傳感器具有精度高、體積小和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。王中立等[11]針對(duì)目前足式機(jī)器人腿部?jī)A角傳感器測(cè)量時(shí)易受到溫度、噪聲干擾等不足，利用卡爾曼濾波對(duì)傾角傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，然后采用徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，仿真結(jié)果表明提出的算法對(duì)傾角傳感器信號(hào)的噪聲能夠很好地濾除，測(cè)量誤差控制在0.8%以下。文獻(xiàn)[12]對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)建立雙積分模型，利用離散卡爾曼濾波方法對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波，通過(guò)仿真結(jié)果表明該方法能夠有效濾除測(cè)量中的噪聲信號(hào)，可提高系統(tǒng)控制精度和抗干擾能力。

本文將數(shù)顯儀表和傾角傳感器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種一體式傾角數(shù)顯儀。將輸出電壓變化值進(jìn)行模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換，得到傾斜角度值?；诳柭鼮V波算法對(duì)輸出數(shù)據(jù)量進(jìn)行濾波處理，極大提高了測(cè)量精度。與傳統(tǒng)的分立式傾角數(shù)顯儀相比，該一體式傾角數(shù)顯儀具有占用空間較小，操作簡(jiǎn)單和工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)的一體式傾角數(shù)顯儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)機(jī)后，鋰電池負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電，檢測(cè)部分的核心是加速度計(jì)，角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，豎直方向的加速度分量隨之改變，單片機(jī)采集到變化的原始值后，進(jìn)行運(yùn)算得出角度值，在顯示電路顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)通信電路，由串口發(fā)送出去，可接入電腦上位機(jī)，或者與其他串口設(shè)備如觸摸屏、聯(lián)網(wǎng)寶通信相連接。除此之外，該設(shè)計(jì)還可通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存、相對(duì)零點(diǎn)/絕對(duì)零點(diǎn)切換等內(nèi)容。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分采用模塊式設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，主要包括開(kāi)關(guān)機(jī)電路、鋰電池及充放電管理電路、單片機(jī)主控電路、傳感器電路、通信電路和顯示電路。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

核心部分是單片機(jī)主控電路，負(fù)責(zé)維持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，單片機(jī)選用STM32F103RCT6，該芯片是一款基于ARMCortex-M內(nèi)核STM32系列的32位微控制器，內(nèi)置256 KB的FLASH，功能強(qiáng)大。單片機(jī)外接8 MHz晶振，經(jīng)倍頻后以72 MHz頻率高速運(yùn)行。

2.1 鋰電池及鋰電池的充放電管理電路

鋰電池的充放電管理電路見(jiàn)圖3。

圖3 鋰電池的充放電管理電路圖

為了便于充電，采用安卓手機(jī)通用的USB Type-C接口，可直接用手機(jī)充電器充電，電池采用543450-3.7型鋰電池。MCP73831T為鋰電池充電管理芯片[4]，VUSB為電源的輸入端，VBAT-IN為鋰電池的輸出端。當(dāng)電源輸入端有電源接入，VUSB帶電5.0 V，VUSB經(jīng)隔離電容接MCP73831T的4腳，此時(shí)1腳輸出低電平，D2點(diǎn)亮，D2用作充電指示燈，一般用紅色發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈。電池充滿(mǎn)電時(shí)，VBAT-IN電壓為4.2V，芯片3引腳檢測(cè)到后，判定充電過(guò)程完成，控制1引腳輸出高電平，D2熄滅，D3點(diǎn)亮，表示充電結(jié)束，D3一般用綠色LED燈。電阻R7和R9對(duì)鋰電池實(shí)現(xiàn)分壓，對(duì)單片機(jī)的引腳起限壓保護(hù)作用。單片機(jī)通過(guò)采集PA0引腳電壓的變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池電量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。如監(jiān)測(cè)到電池電壓值低于設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)機(jī)電路中的PA5引腳進(jìn)行斷電操作，確保不會(huì)因?yàn)殇囯姵剡^(guò)放而導(dǎo)致?lián)p壞。

2.2 開(kāi)關(guān)機(jī)電路

開(kāi)關(guān)機(jī)電路見(jiàn)圖4。

圖4 開(kāi)關(guān)機(jī)電路圖

鋰電池輸出端VBAT_IN接入開(kāi)機(jī)電路部分，Q2為P型金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS管），實(shí)現(xiàn)電子開(kāi)關(guān)功能，VBAT_OUT為整個(gè)系統(tǒng)電源的輸入端。開(kāi)機(jī)時(shí)，長(zhǎng)按按鍵S1，使得MOS管Q2導(dǎo)通，VBAT_OUT將為系統(tǒng)提供電源，單片機(jī)帶電后，PA5引腳輸出高電平使Q4工作，Q2維持在導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作。關(guān)機(jī)時(shí)，長(zhǎng)按按鍵S1，Q3導(dǎo)通，單片機(jī)檢測(cè)到PA4引腳為低電平狀態(tài)，控制PA5引腳輸出低電平，Q4處于截止?fàn)顟B(tài)，在按下松手之前，由于Q3右側(cè)二極管導(dǎo)通，系統(tǒng)一直工作，松手時(shí)關(guān)閉Q2，實(shí)現(xiàn)斷電關(guān)機(jī)。

2.3 傳感器電路

傳感器電路采用ADI的ADXL327B加速度計(jì)芯片作為傾角傳感器檢測(cè)芯片，該芯片測(cè)量范圍在±2g之間，三軸檢測(cè)，LFCSP封裝，功耗低至350μA。當(dāng)芯片所處位置發(fā)生變化時(shí)，芯片三軸加速度計(jì)中檢測(cè)到的加速度分量發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)引腳的輸出電壓發(fā)生變化，單片機(jī)采集到電壓變化，經(jīng)過(guò)換算得出偏轉(zhuǎn)角度值。

2.4 其他部分電路

除此之外，硬件電路中還有調(diào)壓電路，負(fù)責(zé)將供電電壓VBAT-OUT調(diào)整到VCCD3.3 V，輸出3.3 V，給額定電壓為3.3 V的器件供電。通信電路的核心芯片是CH340G，2引腳TXD端接PA10，3引腳RXD端接PA9引腳，實(shí)現(xiàn)串口通信。顯示電路核心部件是GG1N4835型薄膜晶體管 （Thin Film Transistor，TFT）彩屏，通過(guò)單片機(jī)的12個(gè)輸入/輸出（I/O）引腳驅(qū)動(dòng)。這些部分屬于常規(guī)電路設(shè)計(jì)，篇幅所限，不做詳述。

SL-N系列電子天平：上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司；DGX-4243BC-1型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；SM-5L型新麥打蛋器：新麥機(jī)械（無(wú)錫）有限公司；SM-603S型新麥電烤爐：新麥機(jī)械（無(wú)錫）有限公司。

3 PCB設(shè)計(jì)制作

原理圖部分完成后，設(shè)計(jì)PCB圖，根據(jù)外殼形狀要求，印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的尺寸為710 mm×410 mm，元器件主要集中在正面，背面放置TFT屏。尺寸所限，PCB圖較密集，布線(xiàn)時(shí)TFT的總線(xiàn)線(xiàn)寬設(shè)為0.4 mm以減低總線(xiàn)干擾；鋰電池充電部分做整體敷銅散熱處理；電源線(xiàn)做加寬處理，保證供電電壓穩(wěn)定、各器件穩(wěn)定運(yùn)行。

4 軟件程序與算法

4.1 主程序流程圖

主控芯片采用STM32F103RCT6，程序開(kāi)發(fā)環(huán)境采用KeiluVision5，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主程序流程見(jiàn)圖5。

圖5 主程序流程圖

啟動(dòng)上電后，先將各模塊初始化，數(shù)顯儀進(jìn)入開(kāi)機(jī)動(dòng)畫(huà)，動(dòng)畫(huà)內(nèi)容為制造廠(chǎng)商的logo圖標(biāo)，主控芯片讀取傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，處理后的數(shù)據(jù)送TFT屏進(jìn)行顯示。考慮到用戶(hù)需求，如果需要將數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦上位機(jī)（或者其他設(shè)備），通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。為了對(duì)串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收進(jìn)行按序排列，確保數(shù)據(jù)的完整性，程序中引入了“先入先出隊(duì)列”（First Input First Output，F(xiàn)IFO）功能，這樣每一組角度數(shù)據(jù)都能完整傳輸。角度數(shù)據(jù)檢測(cè)和顯示過(guò)程中，如果按下“鎖存”“相對(duì)/絕對(duì)零點(diǎn)切換”按鍵，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

4.2 各函數(shù)模塊設(shè)計(jì)

流程圖完成后，根據(jù)流程圖寫(xiě)程序，為便于移植和提高效率，采用庫(kù)函數(shù)方式編程，除系統(tǒng)提供的子函數(shù)外，還包括“main.c”“gui.c”“l(fā)cd.c”“fifo.c”“funcitonality.c”“key.c”“usart.c”等函數(shù)模塊。

4.2.1 主函數(shù)“main.c”

“main.c”中主要包括看門(mén)狗初始化程序，各引腳初始化程序，合理設(shè)置時(shí)鐘和中斷優(yōu)先級(jí)等，“void CmdResponse(enum Command Cmd)”子函數(shù)接收其他設(shè)備上（電腦上位機(jī)或功能按鍵）通過(guò)串口向傳感器發(fā)送的指令，傳感器做出對(duì)應(yīng)的反饋，例如其他設(shè)備向傳感器發(fā)送查詢(xún)指令，傳感器返回角度值，發(fā)送鎖存指令，傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存操作等。在“main()”函數(shù)中，設(shè)置每10 ms對(duì)傳感器芯片進(jìn)行一次檢測(cè)。

4.2.2 TFT彩屏的驅(qū)動(dòng)子函數(shù)“gui.c”和“l(fā)cd.c”

4.2.3 串口通信保障子函數(shù)“fifo.c”

“fifo.c”是非常重要的一個(gè)程序模塊，在工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中涉及串口通信方面時(shí)，必須引入FIFO功能，即“先入先出隊(duì)列”。本設(shè)計(jì)的串口通信中，有角度問(wèn)詢(xún)指令、角度回復(fù)指令，相對(duì)（或絕對(duì)）零點(diǎn)設(shè)置指令、相對(duì)（或絕對(duì)）零點(diǎn)設(shè)置回復(fù)指令等，多種指令可同時(shí)進(jìn)行。如果沒(méi)有FIFO功能，數(shù)據(jù)有可能會(huì)被打斷導(dǎo)致發(fā)送錯(cuò)誤。引入FIFO功能后，串口需傳輸多種數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)命令串口，根據(jù)時(shí)間順序，完整地完成一幀數(shù)據(jù)傳輸后，再進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)傳輸，這樣既可以保證不會(huì)漏掉，又不會(huì)出錯(cuò)。

4.2.4 數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換功能子函數(shù)“funcitonality.c”

主函數(shù)中將ADXL327B加速度計(jì)采集到的模擬量值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后在“funcitonality.c”進(jìn)行卡爾曼濾波處理，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼供屏幕顯示和串口輸出。

4.2.5 按鍵子函數(shù)“key.c”

“key.c”是針對(duì)兩個(gè)功能按鍵的程序，主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)按鍵的檢測(cè)和控制功能。數(shù)顯儀一共有3個(gè)按鍵，“ON/OFF”是開(kāi)關(guān)機(jī)按鍵，長(zhǎng)按3 s開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī)?！癏OLD”按鍵是鎖存按鍵，按下后屏幕保持顯示數(shù)據(jù)，再次按下后，恢復(fù)到測(cè)量狀態(tài)?！癦ERO”按鍵可以實(shí)現(xiàn)“相對(duì)零點(diǎn)”和“絕對(duì)零點(diǎn)”的切換。程序中主要包括“void KEY_Init(void)”，對(duì)按鍵涉及到的引腳進(jìn)行了初始化，“u8 KEY_Scan(u8 mode)”，不同按鍵按下，返回不同值，單片機(jī)根據(jù)返回值做出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。4.2.6 串口通信子函數(shù)“usart.c”

串口通信硬件上用到PA9和PA10引腳，在主函數(shù)中通過(guò)void GPIO_Configuration()子函數(shù)對(duì)PA9和PA10引腳進(jìn)行正確配置。“usart.c”中，通過(guò)void USARTInit子函數(shù)進(jìn)行波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位的配置，再通過(guò)void USARTSend－String子函數(shù)進(jìn)行傳輸內(nèi)容的處理。

4.3 卡爾曼濾波算法及對(duì)比測(cè)試

為了讓角度數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定，采用了卡爾曼濾波算法[6-7]，該算法是有效去除信號(hào)噪聲，還原準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)處理算法。在加速度計(jì)測(cè)量過(guò)程中，由于電源穩(wěn)定性、外部自然環(huán)境變化等因素，原始測(cè)量數(shù)據(jù)中有噪聲信號(hào)，直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。卡爾曼濾波在測(cè)量方差已知的情況下能夠從一系列的測(cè)量數(shù)據(jù)中，準(zhǔn)確判斷出噪聲信號(hào)并刪除，從而得到相對(duì)準(zhǔn)確率大幅提高的有效數(shù)據(jù)。

運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真測(cè)試，通過(guò)MATLAB中的Figure創(chuàng)建一個(gè)圖形窗口，定義加速計(jì)值為CON=0.5（以0.5g為例），采樣次數(shù)N=140，見(jiàn)圖6。

圖6中縱坐標(biāo)為某一時(shí)刻加速計(jì)的原始值，橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間，通過(guò)圖中的曲線(xiàn)可以看到經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波處理后，對(duì)比圖6-a中的“測(cè)量誤差”和“卡爾曼濾波后誤差”，可以看出誤差值明顯減小。同時(shí)從圖6-b中可以看出，濾波后的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)更加平滑，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更高。

6-a 測(cè)量誤差與卡爾曼濾波后誤差的對(duì)比

6-b 卡爾曼濾波仿真圖6 M A T L A B中的仿真測(cè)試

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)PCB圖制版、焊接、程序下載后，設(shè)計(jì)初步完成，測(cè)試傳感器各項(xiàng)功能，包括充電測(cè)試、開(kāi)關(guān)機(jī)測(cè)試、鎖存按鍵測(cè)試、相對(duì)/絕對(duì)零點(diǎn)切換按鍵測(cè)試，與電腦進(jìn)行串口通信測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中需要根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行硬件電路的優(yōu)化和程序的調(diào)整，直到完全正常工作。

調(diào)試完成后，進(jìn)行精度標(biāo)定。運(yùn)用芳嘉天蝶TE-170P分度頭轉(zhuǎn)臺(tái)（該轉(zhuǎn)臺(tái)精度為0.5‰）測(cè)量16次（X軸、Y軸各測(cè)8次），相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 精度標(biāo)定數(shù)據(jù)表

轉(zhuǎn)臺(tái)值表示標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)量值表示數(shù)顯儀測(cè)量值，誤差值是轉(zhuǎn)臺(tái)值與測(cè)量值的差值，均方根誤差值是將16次的誤差值取均方根運(yùn)算，代表數(shù)顯儀精度值[10-11]。最終結(jié)果表明，在±90°測(cè)量范圍內(nèi)，數(shù)顯儀精度為0.081°，在0.1°范圍以?xún)?nèi)，處于0.1°精度標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

影響傳感器精度的因素是多方面的，包括元器件的選型、PCB設(shè)計(jì)、算法、校準(zhǔn)等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，校準(zhǔn)的影響最大，要求選用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)臺(tái)進(jìn)行操作，工作人員需按標(biāo)準(zhǔn)流程嚴(yán)謹(jǐn)操作。

6 結(jié)束語(yǔ)

以上為精度0.1°的一體式傾角數(shù)顯儀的開(kāi)發(fā)過(guò)程，包括方案設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)、PCB圖設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)、調(diào)試標(biāo)定后制作完成，經(jīng)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品具有便攜、精度高、功能全面等優(yōu)點(diǎn)，使用者反饋良好。同時(shí)該產(chǎn)品還進(jìn)行了開(kāi)放式設(shè)計(jì)，預(yù)留了多個(gè)I/O口和備用串口，可進(jìn)行開(kāi)關(guān)量輸出、無(wú)線(xiàn)通信等相關(guān)開(kāi)發(fā)，可為客戶(hù)進(jìn)行功能定制。