三軸傾角傳感器系統硬件設計詳解

　　隨著(zhù)市場(chǎng)需求和科技的發(fā)展，人們對工程、機械、航空、航海設備的可靠性和穩定性提出了更高的要求，其中姿態(tài)測量是一項重要的指標。傾角傳感器是測量關(guān)于某一基準面的傾斜角或者是姿態(tài)的裝置。目前，市場(chǎng)上已有單軸、雙軸、三軸的傾角傳感器，但大多都價(jià)格昂貴或者體積較大。本文提出以雙軸傳感器SCA100t(＄37.2345) 和C8051F(＄8.5976) 單片機實(shí)現的設計，可大大降低系統成本，不但可以構成一個(gè)單獨的數字輸出傳感器，也可以作為一個(gè)測量模塊，嵌入到測量控制系統中，廣泛應用于機器人控制、平臺姿態(tài)（俯仰和滾轉）測量、雙軸加速度測量等系統中。

　　硬件電路設計

　　整個(gè)系統結構如圖1 所示?？煞譃楣╇婋娐?、角度測量和數據采集與輸出等。系統采用寬電源供電，經(jīng)電源變換后電源分為兩路，一路是由精密穩壓芯片REF195(＄1.5240)，輸出高穩定的 5v 電壓，專(zhuān)為傳感器供電，以提高傳感器的輸出穩定性;另一路是由LM2937(＄0.7700)輸出的3.3v 電源，為單片機系統提供工作電源。

　　圖1 系統總體框圖

　　角度測量使用了VTI 公司生產(chǎn)的硅基加速度傳感器SCA100t，其主要性能指標：1）雙軸向傾角測量：SCA100t 測量X-Y 方向;2） 測量范圍 1.7g;3） 測量靈敏度1.2V/g;4）+5V單電源供電，兩個(gè)比例電壓輸出（模擬），內置11 位AD 轉換器;5）兼容SPI 的數字輸出;6）通過(guò)SPI 接口，可以訪(fǎng)問(wèn)內部溫度傳感器。

　　SCA100t 為12 腳表貼封裝，設計時(shí)要水平安裝芯片，并注意芯片上面箭頭所指方向為正方向。輸出使用SPI 接口，周期為19 個(gè)時(shí)鐘，雖然C8051F 單片機具有片上SPI 資源，與SCA100t 的SPI 時(shí)序不符，因此采用軟件模擬SPI 總線(xiàn)讀寫(xiě)SCA100t 數據。傳感器同時(shí)還有模擬輸出接口，設計時(shí)把這兩路信號引出，滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。數據采集處理采用了Silicon 公司的高性能C8051F005(＄9.5066) 單片機作為主處理器，它采用了CHP-51TM 微處理器內核，與8051 完全兼容，并在片上擴展了SPI、IIC AD 等多種外設，采用單指令周期，具有JTAG 接口，可直接進(jìn)行調試與編程。工業(yè)上小型傳感器輸出接口一般采用RS-232C 或RS-485(＄14.5000) 接口。在設計時(shí)將這兩種接口電路都進(jìn)行了設計，用戶(hù)可以選擇其中的一種接口來(lái)輸出數據。

　　Dout 為傳感器的數字量輸出;Sens 是傳感器的靈敏度，根據測量范圍不同，分別為819（4V/g）或 1638（2V/g）。單片機通過(guò)SPI 口讀取SCA100t 內的兩路傳感器的A/D 轉換結果，在單片機機內進(jìn)行處理后，通過(guò)串行口輸出。同時(shí)利用SPI 接口讀出內部溫度傳感器，進(jìn)行測量值的溫度補償。

　　提高精度措施

　　SCA100t 非常敏感，電源的波動(dòng)或是器件的振動(dòng)對輸出值的精度都有很大的影響;溫度對輸出值也有一定的影響;在焊接時(shí)可能焊接面不平，安裝在機殼內或嵌入在其它系統 中時(shí)也可能與基準面存在一定的角度，這些都會(huì )造成測量值的零點(diǎn)偏差。經(jīng)過(guò)實(shí)驗和分析，主要通過(guò)以下方法來(lái)提高它的穩定性和可靠性：

　　供電電路設計

　　供電電壓不穩定可直接造成輸出的比例誤差，最大值可達到2%。如果電源過(guò)載則使傳感器供電不足而造成輸出波動(dòng)。系統加了電源輸入保護電路，防止電源輸入過(guò) 載。采用高精度電壓源REF195 單獨給傳感器供電，有效地減小電源的波動(dòng)對輸出的影響。在電路板設計時(shí)，傳感器的電源和地之間加上10nF 的濾波電容，在模擬輸出端加上10uF 濾波電容，也可以減小了紋波，從而減小了輸出誤差;工作在嵌入系統中時(shí)，給這一部分電路加上鐵殼進(jìn)行電磁屏蔽，減小其它工作電路或周?chē)h(huán)境對它的影響。在單片機片內RAM 中設定一個(gè)數組，用來(lái)存貯解算后的角度值。利用堆棧的原理將數組中新的測量值更新，對數據的數據進(jìn)行加權求和平均后輸出。這樣可以減小輸出波動(dòng)，但輸出有一定的滯后，通過(guò)實(shí)驗最終選用5 個(gè)數據處理滿(mǎn)足了系統的設計要求。傳感器的輸出值同樣受到溫度的影響。它的內部帶有溫度傳感器，在大多數情況下不需要進(jìn)行溫度補償。當傳感器工作在極限溫度附近時(shí)，可由MCU 根據其內溫進(jìn)行補償。溫度的實(shí)際值由下式算出：

　　SCA100t 還帶有模擬量輸出，其精度要比SPI 輸出的11BitAD 轉換結果高?？梢杂?2Bit或16Bit 的AD 芯片或帶有更高精度AD 單片機（如C80051F060）的進(jìn)行測量得到電壓后，再進(jìn)行計算得到更高的測量精度。傳感器在焊接或安裝時(shí)，不可避免的會(huì )有一些傾斜角度，從而造成零點(diǎn)誤差。傳感器在安裝固定好后，在三維轉臺上進(jìn)行標定，測出它兩個(gè)方向的零點(diǎn)誤差值，作為一個(gè)常數值存入Flash 芯片中。MCU 把得到的測量值減去零點(diǎn)誤差再輸出，基本消除了零點(diǎn)誤差引起的測量誤差。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗改進(jìn)后，數字傾角傳感器工作可靠、穩定，測量精度高，便于嵌入到其它的測量系統中，已經(jīng)在無(wú)人機姿態(tài)測量等多個(gè)項目中得到了應用。