基于传感器的角度测量系统设计
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引脚连接的规范：13、14是两个电压输入引脚VDD，直接与5 V电源连接，同时连接退耦电容CDC，推荐使用0.1μF;4、7是两个接地引脚COM，直接接地;2脚VTP保持开路，不与其他任何引脚相连;3脚ST是自检输入端，当接VDD时能检查加速度计的功能，平时该引脚开路，也可与COM相连。引脚配置如图3所示。
图3 ADXL202引脚配置
根据芯片的引脚配置图和以上的各类配置，可以设计角度检测模块的硬件电路，其电路原理如图4所示，其脉冲输出端直接与STM32F107的I/O口相连。
图4 角度采集原理图
2.2 ADXL202测角度工作原理
ADXL202水平放置时的倾角如图5所示。
ADXL202水平放置时，沿X轴和Y轴方向的加速度分量大小与重力的关系为：
AX=g·sin(α)， AY=g·sin(β) (3)
式中，AX、AY分别代表加速度计的两个轴上的分量输出，g是以重力作为参考的加速度值，而α、β是倾斜角度。由反正弦函数即可以得到倾斜角度为：
α=sin-1(AX/g)，β=sin-1(AY/g) (4)
图5 ADXL202水平放置时的倾角
ADXL202垂直放置时的倾角如图6所示。
图6 ADXL202垂直放置时的倾角
加速度传感器在竖直初始位置时，沿X轴和Y轴方向的加速度分量大小与重力的关系为：
γ=sin-1(AX/g)， δ=sin-1(AY/g) (5)
此角度测量仪的工作原理是：ADXL202将加速度信号转换为脉宽占空比输出，STM32F107接收这个数字脉冲信号，利用STM32F107的输入捕获功能来测量脉冲信号的高电平脉宽。然后，计算出高电平脉宽的准确时间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)分别求出芯片在水平状态或垂直状态下的倾角。
3 数据处理模块
STM32F107采用的是ARM Cortex—M3内核，工作电压为3.3 V，时钟频率达到72 MHz。该芯片系统资源和外围接口丰富，内部集成专用时钟、复位以及电源管理模块，支持多种工作模式。由于STM32F107芯片的性能、成本和功耗方面的特点，选择它作为数据处理模块。更重要的是STM32F107的定时器除了TIM6和TIM7，都有输入捕获功能。
3.1 输入捕获功能应用于角度测量的工作原理
以TIM2定时器实现输入捕获功能为例。TIM2有4个独立通道，通过检测TIM2_CH1通道上的边沿信号，在边沿信号发生跳变(比如上升沿/下降沿)的时候，将当前定时器的值存放到TIM2_CH1的捕获/比较寄存器里面，完成一次捕获。这就是STM32F107所具有的输入捕获功能。
将ADXL202的Xout、Yout引脚输出接到STM32F107的34、35引脚(PA0、PA1)上，由STM32F107的原理图可知，34、35引脚控制TIM2_CH1和TIM2_CH2两个通道。用TIM2_CH1来捕获Xout的数字方波信号的高电平脉冲，首先配置此通道的输入捕获为上升沿检测。当检测到上升沿时，进入中断将计数器清零重新开始计数，并配置通道的输入捕获为下降沿捕获;当检测到下降沿时，进入中断读取计数器的值，由计数值和计数频率可得到高电平的脉宽，即T1。然后通过以下两个公式：
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5% (6)
α=sin-1(Ax/g)， β=sin-1(AY/g) (7)
计算得出当前的倾角，之后将结果传输给液晶显示屏显示结果。式中T2=1 ms。此处仅讨论芯片水平放置时的情况，当芯片垂直放置时，用式(5)即可。
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