基于傳感器的角度測量系統(tǒng)設(shè)計
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引腳連接的規(guī)范：13、14是兩個電壓輸入引腳VDD，直接與5 V電源連接，同時連接退耦電容CDC，推薦使用0.1μF;4、7是兩個接地引腳COM，直接接地;2腳VTP保持開路，不與其他任何引腳相連;3腳ST是自檢輸入端，當(dāng)接VDD時能檢查加速度計的功能，平時該引腳開路，也可與COM相連。引腳配置如圖3所示。
圖3 ADXL202引腳配置
根據(jù)芯片的引腳配置圖和以上的各類配置，可以設(shè)計角度檢測模塊的硬件電路，其電路原理如圖4所示，其脈沖輸出端直接與STM32F107的I/O口相連。
圖4 角度采集原理圖
2.2 ADXL202測角度工作原理
ADXL202水平放置時的傾角如圖5所示。
ADXL202水平放置時，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關(guān)系為：
AX=g·sin(α)， AY=g·sin(β) (3)
式中，AX、AY分別代表加速度計的兩個軸上的分量輸出，g是以重力作為參考的加速度值，而α、β是傾斜角度。由反正弦函數(shù)即可以得到傾斜角度為：
α=sin-1(AX/g)，β=sin-1(AY/g) (4)
圖5 ADXL202水平放置時的傾角
ADXL202垂直放置時的傾角如圖6所示。
圖6 ADXL202垂直放置時的傾角
加速度傳感器在豎直初始位置時，沿X軸和Y軸方向的加速度分量大小與重力的關(guān)系為：
γ=sin-1(AX/g)， δ=sin-1(AY/g) (5)
此角度測量儀的工作原理是：ADXL202將加速度信號轉(zhuǎn)換為脈寬占空比輸出，STM32F107接收這個數(shù)字脈沖信號，利用STM32F107的輸入捕獲功能來測量脈沖信號的高電平脈寬。然后，計算出高電平脈寬的準(zhǔn)確時間T1，由式(2)得到X、Y方向上的加速度分量A(g)。最后，由式(4)(5)分別求出芯片在水平狀態(tài)或垂直狀態(tài)下的傾角。
3 數(shù)據(jù)處理模塊
STM32F107采用的是ARM Cortex—M3內(nèi)核，工作電壓為3.3 V，時鐘頻率達到72 MHz。該芯片系統(tǒng)資源和外圍接口豐富，內(nèi)部集成專用時鐘、復(fù)位以及電源管理模塊，支持多種工作模式。由于STM32F107芯片的性能、成本和功耗方面的特點，選擇它作為數(shù)據(jù)處理模塊。更重要的是STM32F107的定時器除了TIM6和TIM7，都有輸入捕獲功能。
3.1 輸入捕獲功能應(yīng)用于角度測量的工作原理
以TIM2定時器實現(xiàn)輸入捕獲功能為例。TIM2有4個獨立通道，通過檢測TIM2_CH1通道上的邊沿信號，在邊沿信號發(fā)生跳變(比如上升沿/下降沿)的時候，將當(dāng)前定時器的值存放到TIM2_CH1的捕獲/比較寄存器里面，完成一次捕獲。這就是STM32F107所具有的輸入捕獲功能。
將ADXL202的Xout、Yout引腳輸出接到STM32F107的34、35引腳(PA0、PA1)上，由STM32F107的原理圖可知，34、35引腳控制TIM2_CH1和TIM2_CH2兩個通道。用TIM2_CH1來捕獲Xout的數(shù)字方波信號的高電平脈沖，首先配置此通道的輸入捕獲為上升沿檢測。當(dāng)檢測到上升沿時，進入中斷將計數(shù)器清零重新開始計數(shù)，并配置通道的輸入捕獲為下降沿捕獲;當(dāng)檢測到下降沿時，進入中斷讀取計數(shù)器的值，由計數(shù)值和計數(shù)頻率可得到高電平的脈寬，即T1。然后通過以下兩個公式：
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (6)
α=sin-1(Ax/g)， β=sin-1(AY/g) (7)
計算得出當(dāng)前的傾角，之后將結(jié)果傳輸給液晶顯示屏顯示結(jié)果。式中T2=1 ms。此處僅討論芯片水平放置時的情況，當(dāng)芯片垂直放置時，用式(5)即可。
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