基于SCA100T的傾角測量系統設計

摘要：針對控制系統中傾角測量問(wèn)題，以SCA100T高精度雙軸傾角傳感器為基礎，采用ATmega8作為控制器，設計了一款靈敏度高、可擴展性強的傾角測量系統。該系統既可以采用LCD顯示器和串口超級終端預設信息，也支持軟件編程的方式來(lái)讀取和配置信息。該設計在塔式起重機上的應用取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：傾角測量；SCA100T；ATmega8

引言
目前，業(yè)內對傾角的測量多是基于MEMS的加速度傳感器，SCA100T是由芬蘭VTI公司推出，采用三維MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)的一款高精度雙軸傾角傳感器，可同時(shí)測量相對于水平面的傾斜和俯仰角度，具有溫度補償功能。本文以塔式起重機為應用背景，采用SCA100T傾角傳感器實(shí)時(shí)采集傾斜信息，檢測塔式起重機支撐架的平衡性能，避免由于其過(guò)度傾斜而引發(fā)事故。以SCA100T為基礎設計了一款小巧、靈敏度高的傾角測量系統，分析了SCA100T傾角傳感器測角的原理，給出了系統各個(gè)模塊的軟硬件設計方法，同時(shí)提供了兩種具有可擴展性的應用方法。

1 整體設計
圖1所示為本系統的整體結構框圖。該系統采用ATmega8單片機控制SCA100T傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測平臺的傾角變化，將傳感器輸出的數字量進(jìn)行換算后，轉換為實(shí)際的傾角值。用戶(hù)可以根據需要設置警界傾角值和預定平臺水平位置，傾角信息可通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示或通過(guò)串口輸出到上層控制器中。當傾角信息超過(guò)預置的警界傾角值時(shí)，系統開(kāi)始報警，表現為蜂鳴器報警和LED燈閃爍。

系統根據輸出方式的不同分為兩種應用方式：一種是作為獨立系統使用，固定在待測平臺上；另一種是將該系統作為一個(gè)傾角采集模塊，掛接在其他電路中使用。前者采用LCD1602實(shí)時(shí)顯示傾角信息，采用串口超級終端預設傾角警界值和水平位置；后者通過(guò)串口輸出傾角信息，允許軟件編程通過(guò)發(fā)送串口命令進(jìn)行配置。配置信息均保存在A(yíng)Tmega8單片機內部的EEPROM中。

2 傾角測量原理
本文選用的SCA100T的測量范圍為±30°，其內部包含硅電容感應元件、EEPROM存儲器、信號調理電路、A／D轉換器、溫度傳感器和SPI傳輸接口等，SCA100T功能框圖如圖2所示。該傳感器具有X、Y兩個(gè)通道，分別用來(lái)測量?jì)A斜和俯仰的加速度，每個(gè)通道具有自測試系統，可內部產(chǎn)生一個(gè)靜電力來(lái)校驗全部的信號通道。信號輸出有SPI數字信號輸出和模擬電壓信號輸出兩種方式，同時(shí)可輸出溫度信息進(jìn)行溫度補償。

SCA100T的測角原理為：通過(guò)測量靜態(tài)重力加速度的變化，將其轉換成傾角變化。SCA100T的硅電容感應元件由3層硅片構成，形成立體結構，當發(fā)生傾斜時(shí)，中間質(zhì)量片會(huì )傾向某一側，從而使兩側的電容發(fā)生變化。通過(guò)電壓值可反映相應的加速度值，進(jìn)而可計算角度值。圖3所示分別為X軸與Y軸的傾角變化情況(X／Y是從傾斜方向來(lái)劃分的)，以X軸為例，其加速度值與重力加速度之間的關(guān)系為：
Ax=g·sina→α=arcsin(Ax／g)
其中，Ax表示X軸測出的加速度值，g表示重力加速度值，α為X軸傾角。