水平倾角测量系统设计与制作.doc

水平倾角测量系统设计与制作 1.系统方框图 系统主要框架如图1所示，先通过AD芯片采集来自重力加速度传感器和陀螺仪的输出值，再进行信号处理转换为倾角信息，然后在1602液晶上进行显示，同时可以通过串口上位机显示。因为重力加速度传感器和陀螺仪存在温漂效应，故添加了按键和拨码开关作为输入以校准芯片静态参数，从而保证良好的测量精度。 图1 系统框图 电气原理图 系统电路也是按照框图中的模块进行划分的，有MCU电路模块、1602液晶模块、按键输入模块、拨码开关模块、AD模块、陀螺仪模块和重力加速度传感器模块，由于所选用的陀螺仪需要3.3V电源工作，和单片机供电电压不同，故还有电源模块。通过Altium Designer软件画出总体电气电路原理图如图2所示。 图2 系统电气原理图 单元电路设计 3.1 单片机最小系统电路 由于系统控制量和复杂度都不大，故采用低成本、低功耗的STC89C52芯片作为主控芯片，并将串口接口引出，以便与上位机进行通信，设计单片就最小系统电路如下。 图3.1 单片机最小系统电路 3.2液晶显示电路设计 系统因为只需要显示角度信息，显示信息较少，故可以采用成本低，显示效果好的1602液晶进行显示，根据其引脚定义，选择并口通信，设计电路如图3.2所示。 图3.2 液晶显示电路 3.3 按键输入和拨码开关模块电路设计 输入按键采用独立按键，电路如图3.3所示。 图3.3 按键和拨码开关输入电路 3.4 AD采集电路设计 AD芯片采用TI公司生产的ADS1115，该芯片是一款低功耗、高精度的16位数模转换器。并且拥有两个AD输入通道，正好可以采集来自重力加速度传感器和陀螺仪的输出信号，电路如图3.4所示。 图3.4 AD采集电路 3.5 陀螺仪电路设计 系统采用的陀螺仪是ENC-03芯片，该芯片精度高，响应快，输出量为模拟量，电路简单。当芯片转动时会产生与角速度成正比的电压变化量，采集电压信号转化为角速度再通过积分即可得到转过的角度。 图3.5 陀螺仪电路设计 3.6 重力加速度传感器模块设计 系统采用MMA7361芯片作为重力加速度传感器，该芯片是一款3轴小量程加速度传感器，可以检测物体的运动和方向，当运动或方向变化时，输出电压会发生变化。由于静态时物体受重力影响，故可以测量系统的静态方向。 图3.6 重力加速度传感器模块电路 4 系统工作原理 系统要求测量物体倾角，故采用重力加速度传感器即可测量出系统的静态倾角值θ（0），但是不能准确测量其动态情况下的角度，但加上从陀螺仪得到角速度w，将其转化为转过角度信息，即可测量准确的动态角度θ(t)。计算过程如下： ① ② 从上式可知通过加速度器和陀螺仪的综合作用，可以快速测量物体的倾角。但是，由于这两个传感器均存在温漂效应，故在使用前最好进行静态值校准，校准通过按键输入设定即可。