1 引言

跟着市场需乞降科技的成长，人们对工程、机械、航空、帆海设备的靠得住性和稳定性提出了更高的请求，个中姿势测量是一项重要的指标。倾角传感器是测量关于某一基准面的倾斜角或者是姿势的装配。今朝，市场上已有单轴、双轴、三轴的倾角传感器，但大年夜多都价格昂贵或者体积较大年夜。本文提出以双轴传感器SCA100t 和C8051F 单片机实现的设计，可大年夜大年夜降低体系成本，不只可以构成一个零丁的数字输出传感器，也可以作为一个测量模块，嵌入到测量控制体系中，广泛应用于机械人控制、平台姿势(俯仰和滚转)测量、双轴加快度测量等体系中。

2 硬件电路设计

全部体系构造如图1 所示。可分为供电电路、角度测量和数据采集与输出等。体系采取客档链供电，经电源变换后电源分为两路，一路是由周详稳压芯片REF195，输出高稳定的5v 电压，专为传感器供电，以进步传感器的输出稳定性;另一路是由LM2937输出的3.3v 电源，为单片机体系供给工作电源。

图1 体系总体框图

角度测量应用了VTI 公司临盆的硅基加快度传感器SCA100T，其重要机能指标：1)双轴向倾角测量：SCA100T 测量X-Y 偏向;2) 测量范围 1.7g;3) 测量灵敏度1.2V/g;4)+5V单电源供电，两个比例电压输出(模仿)，内置11 位AD 转换器;5)兼容SPI 的数字输出;6)经由过程SPI 接口，可以拜访内部温度传感器。

SCA100T 为12 脚表贴封装，设计时要水安然装芯片，并留意芯片膳绫擎箭头所指偏向为正偏向。输出应用SPI 接口，周期为19 个时钟，固然C8051F 单片机具有片上SPI 资本，与SCA100T 的SPI 时序不符，是以采取软件模仿SPI 总线读写SCA100T 数据。

传感器同时还有模仿输出接口，设计时把这两路旌旗灯号引出,知足用户的应用请求。

数据采集处理采取了Silicon 公司的高机能C8051F005 单片机作为主处理器，它采取了CHP-51TM 微处理器内核，与8051 完全兼容，并在片上扩大了SPI、IIC AD 等多种外设，采取单指令周期，具有JTAG 接口，可直接进行调试与编程。工业上小型传感器输出接口一般采取RS-232C 或RS-485 接口。在设计时将这两种接口电路都进行了设计，用户可以选择个中的一种接口来输出数据。

3 体系软件设计

全部体系应用C51 进行法度榜样设计，应用模块化构造，层次清跋扈。重要功能有控制SCA100T，攫取双轴测量数据和内部温度值;完成电压值-角度的变换;输出数据的修改;数据输出的软件滤波;接收串口敕令，输出测量数据。软件流程如图2 所示英国沃森。

图2 体系软件流程图

根据器件手册可以看到，SCA100t 输出的电压值与角度有以下关系：

α=arcsin((Dout-1024)/Sens)
供电电压不稳定可直接造成输出的比例误差，最大年夜值可达到2%。如不雅电源过载则使传感器供电不足而造成输出波动。体系加了电源输入保护电路，防止电源输入过载。采取高精度电压源REF195 零丁给传感器供电，有效地减小电源的波动对输出的影响。在电路板设计时，传感器的电源和地之间加上10nF 的滤波电容，在模仿输出端加上10uF 滤波电容，也可以减小了纹波，大年夜而减小了输出误差;工作在嵌入体系中时，给这一部分电路加上铁壳进行电磁樊篱，减小其它工作电路或四周情况对它的影响。

Dout 为传感器的数字量输出;

Sens 是传感器的灵敏度，根据测量范围不合，分别为819(4V/g)或 1638(2V/g)。单片机经由过程SPI 口攫取SCA100T 内的两路传感器的A/D 转换结不雅，在单片机机内进行处理后，经由过程串行口输出。同时应用SPI 接口读出内部温度传感器，进行测量值的温度补偿。
4 进步精度办法

SCA100T 异常敏感，电源的波动或是器件的┞否动对输出值的精度都有很大年夜的影响;温度对输出值也有必定的影响;在焊接时可能焊接面不平，安装在机壳内或嵌入在其它体系中时也可能与基准面存在必定的角度，这些都邑造成测量值的零点误差。经由实验和分析，重要经由过程以下办法来进步它的稳定性和靠得住性：


式中Counts 为传感器的输出值。

4.5 零点校订
4.2 软件滤波

在单片机片内RAM 中设定一个数组，用来存贮解算后的角度值。应用客栈的道理将数组中新的测量值更新，对数据的数据进行加权乞降平均后输出。如许可以减小输出波动，但输出有必定的滞后，经由过程实验最终选用5 个数据处理知足了体系的设计请求。
4.3 温度补偿

传感器的输出值同样受到温度的影响。它的内部带有温度传感器，在大年夜多半情况下不须要进行温度补偿。当传感器工鬃钥浍限温度邻近时，可由MCU 根据其内温进行补偿。温度的实际值由下式算出：

Treal=(Counts-197)/(-1.083)
4.1 供电电路设计


4.4 模仿量输出

Sca100t 还带有模仿量输出，其精度要比SPI 输出的11BitAD 转换结不雅高。可以用12Bit或16Bit 的AD 芯片或带有更高精度AD 单片机(如C80051F060)的进行测量获得电压后，再进行计算获得更高的测量精度。




传感器在焊接或安装时，弗成避免的会有一些倾斜角度，大年夜而造成零点误差。传感器在安装固定好后，在三维转台长进行标定，测出它两个偏向的零点误差值，作为一个常数值存入Flash 芯片中。MCU 把获得的测量值减去零点误差再输出，根本清除了零点误差引起的测量误差。
5 小结

经由多次实验改进后，数字倾角传感器工作靠得住、稳定，测量精度高，便于嵌入到其它的测量体系中，已经在无人机姿势测量等多个项目中获得了应用。(end)