基于STC12C5A60S2单片机的倾斜检测仪设计

某型火箭炮在射击准备时要对车体平台进行精确的技术检测，对车体的调平精度要求比较高。但其自身的调平系统达不到调平精度，而火箭炮的调平精度又与调平前的检测水平密切相关。因此，基于STC12C5A60S2单片机设计一种检测迅速、精确及操作简便的倾斜检测仪。

倾斜检测仪的组成及工作原理

倾斜检测仪结构组成如图1所示，由双轴倾角传感器、数据处理与无线数传电路、微处理器等组成。其工作原理：数据处理电路为双轴倾角传感器提供工作电压和工作时序，首先向双轴倾角传感器发送读取纵向倾斜角度指令，并接收倾角传感器纵向倾斜角度的数据输出；然后，发送读取横向倾斜角度指令，并接收倾角传感器横向倾斜角度的数据输出；随后把读取的数据通过ZigBee无线传输模块，传输到指定的操作指示器。

主控制器选型及电路设计

1 主控制器的选型

主控制器是整个检测仪的神经中枢，仪器的各个机构由它控制指挥。因此，它的性能关系到整个仪器的性能。在满足工作要求的前提下，主控制器的首要选择标准是设备的稳定性，其次是设备的可扩展性。

仪器硬件部分的控制核心选用STC12C5A60S2单片机。该芯片是宏晶科技推出的高速、超低功耗微处理器，该单片机代码指令完全兼容传统8051。其内部集成MAX810专用复位电路，8路高速10位A/D转换，片上集成1280B RAM，程序空间达60KB，能完全满足设计要求。同时，该芯片可实现ISP，无须专用编程器或专用仿真器，通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，降低了传感器开发成本。其主要特点如下。

（1）单时钟/机器周期模式和工作频率

标准的8051每个机器周期为12时钟，增强型的STC12系列单片机为单时钟/机器周期。单时钟工作频率的范围是0～35MHz；平均指令运算速度比标准8051快8～12倍，加上工作效率可到35MHz，比12MHz的标准8051综合要快近30倍。2个定时器可选用标准8051计数速度和高速计数。

（2）带快速A/D功能（10位精度，8路通道）

STC12系列单片机均带有一个10位精度、8路通道的A/D转换器，转换速度为100kHz，为电压输入型；允许将P1.0—P1.7作为A/D口使用；用户可通过软件设置将8路中任一路设为A/D转换。

（3）具有ISP和IAP编程方式

STC12系列单片机芯片内置了ISP（在系统可编程）和IAP（在应用可编程）功能，无须专用编程口即可通过3根线串口和驱动芯片，连接到计算机RS232接口，用STC提供的STC—ISP软件在计算机上运行进行烧录。写完一片单片机的时间仅为2～3s，比专用编程器还要快。除了用ISP方式烧录程序，STC12系列还可以由用户通过用户板的显示键盘调用芯片内提供的用于擦除写入的程序，对单片机芯片内除当前运行的程序块以外的FLASH内存进行编程，这一编程方式被称为IAP功能。

（4）内部扩展RAM

STC12系列单片机在原来8051共256B RAM基础上，又扩展了256BRAM，共有512B RAM。

（5）双DPTR数据指针

标准的8051只有一个16位DPTR数据指针，在进行数据块复制时，必须对源地址指针和目标地址指针进行暂存，编程会很麻烦，STC12系列单片机内则有2个DPTR数据指针。

（6）片内硬件看门狗

STC12系列单片机芯片内置了一个14位的硬件看门狗定时器，从而可以省去外接专门的看门狗定时器。

（7）具有4路PWM/PCA（可编程计数器阵列）

STCl2系列单片机可用来当4路D/A使用，也可用来再实现4个定时器，也可用来再实现4个外部中断。

（8）STC12系列单片机芯片内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体20M以下，可省去外部复位电路。

（9）STC12系列单片机具有内部振荡器，精度要求不高时，可省去外部晶体电路，采用内部R/C振荡器。

（10）STC12系列单片机具有低功耗空闲，掉电唤醒的专用芯片和功能。在工作频率为2MHz时，正常工作电流

（11）STC12系列单片机具有SPI同步通信口，是一种全双口可设置主模式/从模式，高速同步的通信总线，可用来进行多单机的主从通信。

（12）I/O口的功能和地址同8051功能相同。

（13）软复位功能。

STC12系列单片机新增加的ISP—CONTR特殊功能寄存器实现了单片机系统软复位功能，用户只需简单地控制ISP—CONTR特殊功能寄存器中两位SWBS/SWRST就可以系统复位了。软件复位和硬件复位一样，所有的特殊功能寄存器都会复位到初始值，I/O口也会初始化。

2 主控制器接口电路设计

主控器采用ST C12C5A60S2芯片，该芯片具备功耗低、处理速度快、内部存储容量大、具备双串口等特点。该芯片采用3.3V电压工作，工作频率11.0596MHz。UARTO、UARTl采用9600bps、8位数据、无校验位、1位起始位的通信模式进行通信。

UARTO串口O经过TTL—RS232电平转换芯片MAX3232后接双轴倾角传感器，用于向传感器申请数据并接收数据。UART1串口1直接连接到ZigBee无线模块的协调器coordinator的串口，用于将读取的水平数据传递给指定的操作指示器。

同时，UARTO也是STC12C5A60S2芯片串行程序烧写端口，通过两个短路帽进行转换，没有短路帽时是编程模式，有短路帽时则连接双轴倾角传感器。

3 电源电路设计

电源电路包括恒流充电模块和电压变换模块。电池采用12V/1000mA·h的锂电池。其中，恒流充电电路采用独立设计，能够减小主电路板的尺寸，可更换性强。充电电路采用LM317芯片，恒流方式充电。指示灯VD1显示外部电源状态，指示灯VD2用于显示充电状态，当电池充满时，VD2熄灭。

电池提供的12V电压，直接提供给双轴倾角传感器。由于单片机采用3.3V工作，考虑到转换电路的可靠性，采用了两级DC/DC转换电路，先转换到5V再转换到3.3V。采用的电源转换芯片为1117—5和1117—3.3，在第二级采用了两个电容进行滤波，进一步稳定输出的3.3V电压。

倾角传感器的选型

倾斜检测仪中关键的器件之一就是倾角传感器，它的精度等级决定了车体调平的精确度，同时该传感器的响应速度也是仪器快速检测的一个保障。因此，应根据检测仪对水平精度的要求来选取恰当精度等级的倾角传感器，从而降低仪器成本。

倾角传感器用于感应火箭炮车体的纵横向倾斜度，基本技术要求：

（1）精度高于±00～00.2（±0.012°）；

（2）使用环境温度为—40—+55℃。

根据以上基本技术要求，选用北京星网宇达科技开发有限公司的TW—TS1110倾角传感器，该传感器内嵌微控制器和高精度A/D转换器，其传感元件与数字电路的完美结合，可以保证极高的精确度。通过测量重力加速度在其敏感轴上的分量，最终解算出传感器相对于水平面的倾斜角度，内置温度补偿可修正传感器的温度漂移，数字更新率可达10Hz，其主要技术指标见表1。

该传感器测量精度高、体积小，适合多种环境下使用，并可自行设定水平零点，以数字方式输出，抗震动能力强，耐冲击性能好。

无线数传模块的设计

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无线数传模块的选型及其接口电路

传统数据传输方法通常采用有线方式进行，通过线路布置，将获得的信息经串口传送给上位机。但是在一些多测试点的系统中，伴随传感器而来的是大量数据线缆。众多的线缆不仅带来布线的复杂不便，而且存在着短路、断线隐患，成本高，易老化，对特殊环境适应能力差，还给系统的调试和维护增加了难度。同时，布线的可扩展性和可维护性比较差，而无线通信技术适应性好，遇到环境比较恶劣、布线比较困难的时候，用无线数传模块建立专用无线数据传输方式即可解决这一问题。用户组建好一个通信网络之后，若需要增加新的设备，只需将新增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统的扩充；而在系统维护的时候，只需重点维护数传模块，出现故障时能快速找出原因，恢复线路正常运行。相比有线传输，无线传输具有不占据空间、没有布线要求、成本低、可靠性高、维护方便及传输中的干扰较少等优点，这也在一定程度上提高了传输的可靠性。

火箭炮车体倾斜检测仪对无线数传模块的要求：

（1）适当的通信距离，一般以不超过30m为宜，通信功率过大，使通信距离过远，会造成炮与炮之间相互干扰；

（2）较强的抗干扰能力，系统在较强的外界干扰中也能正常工作；

（3）较低的功耗，该检测仪野外应用，无固定供电电源，只能靠电池维持系统运行，无线数据传输系统低功耗非常重要。

根据上述要求，选择了深圳振通公司的ZT—TR43C无线数传模块。

无线模块ZT—TR43C与单片机接口提供了R$232/TTL/RS485 3种接口方式，本仪器采用TTL接口方式，方便与单片机的连接。其中，单片机的RXD、TXD口分别与无线模块的TXD、RXD口相接，地线相接。

考虑到多个倾斜检测仪同时工作，为防止它们之间相互干扰，采取不同的通信信道或不同编码方式识别，每个仪器上带有拨码盘，通过拨码盘设置各自的通信信道或识别码。

2 无线通信网络的建立

若要进行无线通信，则需先建立无线网络，无线网络建立主要有以下步骤：

（1）选择无线信道。主控站上电初始化后依次在各个信道上监听，找出一个干扰相对较小的信道，作为系统工作信道。

（2）主控站发出呼叫信息。找到系统工作信道后，在此信道上发送呼叫信息，等待从机的接入。发送一帧呼叫信息后，主机等待若干时间，等待从机的接入。

（3）从机发送按入请求。从机初始化后依次在各个信道上监听，当接收到有效的数据帧后，从机就找到了系统工作的信道。当从机接收到主机的呼叫信息后，延时随机时间发送接入请求。如果从机发送接入请求后，在本时隙内接收到主机的接入允许，则此从机接入成功，反之则等待下一个呼叫信息，直到接入成功。

（4）主机发送接入允许。主机在规定的时间内接收到从机的接入请求后，发送接入允许信息。

倾斜检测仪结构设计

倾斜检测仪机壳采用铝合金整体加工，内置倾角传感器、电路板、电池和无线发射模块等，水平检查座采用优质合金钢，表面水平度和光洁度优于水准仪标准，与机壳由螺钉固连，发射机天线位于机壳的上方，使用时旋上，装箱时可以旋下或折叠放倒。

上机壳用于安装主电路板，下机壳用于安装倾角传感器、底板和锂电池，两机壳相扣结合。主电路板与倾角传感器通过连接座直接插接，形成一个整体。

机壳的正面有指示灯、电源开关。指示灯用于显示主电路的工作状态，电源开关负责电池同主电路板以及倾角传感器的供电控制。机壳的上侧面有锂电池的充电孔，充电的时候要关闭电源的开关，在指示灯熄灭的情况下，进行充电。机壳的反面为电池盒，用于安装电池，电池盖由螺钉固定。