SCA100t和MCU在數字傾角傳感器中的應用

3 系統軟件設計

整個(gè)系統使用C51 進(jìn)行程序設計，使用模塊化結構，條理清楚。主要功能有控制SCA100T，讀取雙軸測量數據和內部溫度值;完成電壓值-角度的變換;輸出數據的修正;數據輸出的軟件濾波;接收串口命令，輸出測量數據。軟件流程如圖2 所示。

根據器件手冊可以看到，SCA100t 輸出的電壓值與角度有以下關(guān)系：

α=arcsin((Dout-1024)/Sens)

圖2 系統軟件流程圖

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。

4 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：

4.1 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。

4.2 軟件濾波

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。

4.3 溫度補償

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：

Treal=(Counts-197)/(-1.083)

式中Counts 為傳感器的輸出值。

4.4 模擬量輸出

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。

4.5 零點(diǎn)校正

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。

5 小結

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。