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2024年4月30日发(作者：接口和抽象类的描述)
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基于单片机的一种新型角度传感器的设计
作者：张希元 苏蓓蓓 阚永恒
来源：《中国管理信息化》2017年第09期
[摘要]本文介绍了具有两种不同模拟量值输出的角度传感器。传感器芯片检测到角度值
后，由单片机转化为数字量，再经过DA转化，输出模拟量。通过设置，可实现0～5V电压输
出或者4～20mA电流输出。
[关键词]角度传感器；单片机；模拟量
1前言
角度传感器广泛应用于工程与农用机械、仪器仪表、土木工程、船舶、航空航天、工业自
动化、卫星天线定位、平台运转监控、地质勘探、四轮定位系统等领域。其输出通常分为数字
量输出和模拟量输出，数字量方式通过232、485、TTL等方式以BCD码输出，模拟量输出电
流或者电压值，根据行业标准，默认电压方式是-90度对应0V，+90度对应5V，中间状态角
度与电压呈线性关系；默认电流方式是-90度对应4mA，90度对应20mA，中间状态角度与电
流呈线性关系，如图1所示。
常见的模拟量输出角度传感器是分立式设计，即分为电压输出式和电流输出式两种，生产
制造和用户使用都不方便，本项目设计一款电压和电流输出一体的角度传感器，可通过软件设
置为0～5V电压输出或者4～20mA电流输出。
2设计思路
本设计主要包括传感器芯片模块、单片机控制模块、通信模块和模拟量输出模块。传感器
芯片模块用于检测角度值，在单片机的控制下转化为数字量，再通过模拟量输出模块输出0～
5V电压或者4-20mA电流值。通信模块主要有三个作用，一是给单片机下载程序，二是可同
时输出数字量，三是可通过电脑软件设置输出模式，通过电脑软件向单片机发送不同指令后，
单片机选择工作在电压输出模式或电流输出模式。
3主要硬件电路设计
主控芯片选择STM32F103C8T6单片机，主要是考虑到三个方面，一是该芯片综合性能优
越，二是该芯片的超低功耗特性，三是该芯片价格优惠，在产品量产后，便于控制生产成本。
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传感器芯片采用ADXL345芯片，它可以测量与重力方向夹角，从而确定物体偏转的角
度。不同角度下，传感器芯片引脚输出不同的电压值，单片机引脚将这些电压值采集后转化为
数字值，即可得传感器当前的角度情况。
本设计的核心部分是模拟量输出模块，主要通过AD5412芯片实现，该芯片是低成本、精
密、完全集成、12/16-bit数模转换器（DAC），内置可编程电流源和可编程电压输出，设计用
于满足工业过程控制应用的需要。输出电流范围可编程设置为4-20 mA、0-20 mA或者超量程
的0-24mA。电压输出由一个独立引脚提供，该引脚可配置成0～5V、0～10 V、±5 V或±10 V
输出；所有范围均提供10%的超量程。在电流模式和电压模式下，总输出误差典型值均为
+0.01%。其性能与本设计要求完全匹配，且其性能优越，是本设计的最佳选择。其电路如图2
所示（以x轴方向为例）。
与单片机相连的一共有6个引脚，CLESEL引脚为选择电压输出清零值，零电平或中间电
平。CLEAR为高电平有效输入。置位此引脚可将电流输出设置为选定范围的最低值或将电压
输出设置为用户选定值（零电平或中间电平）。LATCH上升沿将输入移位寄存器数据并行载
人到DAC寄存器，同时更新输出。SCK为串行时钟输入。数据在SCLK的上升沿输入移位寄
存器。MOSI为串行数据输入。数据在SCLK的上升沿有效。MISO为串行数据输出。用于在
菊花链模式或回读模式下从串行寄存器逐个输出数据。数据在SCLK的上升沿时有效。
电压输出引脚为21引脚Vout，输出电压值，电流输出引脚为19引脚Iout，输出电流值，
采用共地模式输出。
4软件设计
在软件设计中，采用模块化编程，主要包括了以下部分，如图3所示。
传感器芯片上电后，根据角度变化，会产生一定范围的电压信号，MCU将此电压信号采
集后，设计AD转换程序，转化为数字信号，该数字信号既实现与计算机上位机之间通信，又
是模拟量输出的源头。计算机上位机软件接收到的是MCU处理后的数字信号，该数字信号是
BCD码形式的十六进制数，直接提取有效数据显示即可。同时，在配套的上位机软件中，可
以通过指令设置，实现是电流输出，还是电压输出的选择。
本设计中程序设计的关键内容是模拟量输出部分的程序，首先，设计条件编译模块，当
MCU接收到不同指令时，MCU决定是电流输出，还是电压输出。其次，对AD5412编程，通
过DA转化，实现将反应角度的数字信号，与模拟量的电压、电流对应起来。
程序中还设置了看门狗指令，如果AD、DA转化中出现错误，程序马上恢复到重新运
行，确保传感器工作稳定。
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5结语
本设计实现了可同时实现电压、电流模拟量输出的一种倾角传感器，减少了制作成本，给
实际工作带来了便利。经实际测试，本设计效果良好，且具有制作成本低、工作稳定、寿命长
等优点，公司量产后逐步推向市场。
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