采用加速度傳感器的角度測量儀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，角度測量裝置是非常關(guān)鍵的需要高精度的部件，其測量精度直接影響著整個系統(tǒng)的性能和精度。目前已有的利用的加速度傳感器實現(xiàn)高精度角度測量的研究，主要側(cè)重于單軸的角度測量。本文將重點討論利用雙軸加速傳感器ADXL202實現(xiàn)高精度角度測量的硬件方法。

本角度測量儀采用STM32F107作為數(shù)據(jù)處理的核心芯片。這是一款低功耗、高速度的32位處理器，擁有Cortex-M3內(nèi)核。角度測量模塊使用的是高精度、低功耗的雙軸加速度傳感器ADXL202，能將加速度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字方波信號輸出，可直接與STM32F107連接，通過一定的算法即可計算出當(dāng)前的傾斜角度。顯示模塊使用的是12864ZW型128×64的點陣液晶顯示器。

角度測量模塊

角度測量模塊使用的是ADI公司出品的低成本、低功耗、高精度的雙軸加速度傳感器 ADXL202，其測量范圍為-2g～+2g，既能測量動態(tài)加速度，又能測量靜態(tài)加速度。它的工作電壓是3.0～5.25 V，工作電流低于0.6 mA，最高主頻可達到70 MHz，所以從功耗、靈敏度和精確度考慮，選擇ADXL202作為角度測量模塊的核心芯片。

圖 ADXL202的功能結(jié)構(gòu)框圖

角度測量模塊硬件電路設(shè)計

為保證ADXL202高精度穩(wěn)定的工作，需要根據(jù)芯片技術(shù)文檔和實際使用情況，來配置信號周期、濾波電容（決定信號的帶寬）。ADXL202的輸出信號是脈寬占空比調(diào)制信號，占空比T1/T2與被測加速度成正比。0g時，其輸出為50%占空比，靈敏度為每g所引起的脈寬占空比變化12.5%。查閱芯片的技術(shù)文檔，可以通過電阻RSET來設(shè)定DCM的周期：ADXL202 通過XFILT、YFILT外接電容CX、CY來設(shè)定ADXL202的帶寬，這個帶寬決定了它的測量精度，同時電容CX、CY可以去混疊和濾波。為了使脈寬占空比的誤差最小，模擬帶寬應(yīng)比脈寬占空比的頻率低1/10。對技術(shù)文檔提供的表2進行分析，并考慮設(shè)定T2為1 ms，脈沖占空比頻率為1 kHz，為滿足實際需要和DCM誤差最小的要求，選擇0.05μF的濾波電容，此時模擬帶寬為100 Hz。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。

角度采集原理圖

由圖可知，ADXL202是基于單片集成電路的完善的雙軸加速度測量系統(tǒng)，對X、Y軸而言，輸出環(huán)路將加速度信號轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號輸出，這些數(shù)字信號可直接傳輸給STM32F107，無需A/D轉(zhuǎn)換或其他附加的其他電路。

本文論述了一種基于ADXL202的高精度角度測量儀的研究和設(shè)計方法，對ADXL202的角度測量原理和STM32F107的輸入捕獲功能進行了詳細的介紹。經(jīng)實驗測試，該測量儀能高精度地完成角度測量，而且可靠性好，對角度測量的研究和設(shè)計有著積極的意義。