三軸傾角傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)詳解

　　隨著市場(chǎng)需求和科技的發(fā)展，人們對(duì)工程、機(jī)械、航空、航海設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，其中姿態(tài)測(cè)量是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。傾角傳感器是測(cè)量關(guān)于某一基準(zhǔn)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(jī)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，可大大降低系統(tǒng)成本，不但可以構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字輸出傳感器，也可以作為一個(gè)測(cè)量模塊，嵌入到測(cè)量控制系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制、平臺(tái)姿態(tài)（俯仰和滾轉(zhuǎn)）測(cè)量、雙軸加速度測(cè)量等系統(tǒng)中。

　　硬件電路設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？煞譃楣╇婋娐?、角度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集與輸出等。系統(tǒng)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(wěn)壓芯片REF195(＄1.5240)，輸出高穩(wěn)定的 5v 電壓，專為傳感器供電，以提高傳感器的輸出穩(wěn)定性;另一路是由LM2937(＄0.7700)輸出的3.3v 電源，為單片機(jī)系統(tǒng)提供工作電源。

　　圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　角度測(cè)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(biāo)：1）雙軸向傾角測(cè)量：SCA100t 測(cè)量X-Y 方向;2） 測(cè)量范圍 1.7g;3） 測(cè)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(nèi)置11 位AD 轉(zhuǎn)換器;5）兼容SPI 的數(shù)字輸出;6）通過SPI 接口，可以訪問內(nèi)部溫度傳感器。

　　SCA100t 為12 腳表貼封裝，設(shè)計(jì)時(shí)要水平安裝芯片，并注意芯片上面箭頭所指方向?yàn)檎较?。輸出使用SPI 接口，周期為19 個(gè)時(shí)鐘，雖然C8051F 單片機(jī)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 總線讀寫SCA100t 數(shù)據(jù)。傳感器同時(shí)還有模擬輸出接口，設(shè)計(jì)時(shí)把這兩路信號(hào)引出，滿足用戶的使用要求。數(shù)據(jù)采集處理采用了Silicon 公司的高性能C8051F005(＄9.5066) 單片機(jī)作為主處理器，它采用了CHP-51TM 微處理器內(nèi)核，與8051 完全兼容，并在片上擴(kuò)展了SPI、IIC AD 等多種外設(shè)，采用單指令周期，具有JTAG 接口，可直接進(jìn)行調(diào)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(shè)計(jì)時(shí)將這兩種接口電路都進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用戶可以選擇其中的一種接口來輸出數(shù)據(jù)。

　　Dout 為傳感器的數(shù)字量輸出;Sens 是傳感器的靈敏度，根據(jù)測(cè)量范圍不同，分別為819（4V/g）或 1638（2V/g）。單片機(jī)通過SPI 口讀取SCA100t 內(nèi)的兩路傳感器的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，在單片機(jī)機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理后，通過串行口輸出。同時(shí)利用SPI 接口讀出內(nèi)部溫度傳感器，進(jìn)行測(cè)量值的溫度補(bǔ)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(duì)輸出值的精度都有很大的影響;溫度對(duì)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(jī)殼內(nèi)或嵌入在其它系統(tǒng) 中時(shí)也可能與基準(zhǔn)面存在一定的角度，這些都會(huì)造成測(cè)量值的零點(diǎn)偏差。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和分析，主要通過以下方法來提高它的穩(wěn)定性和可靠性：

　　供電電路設(shè)計(jì)

　　供電電壓不穩(wěn)定可直接造成輸出的比例誤差，最大值可達(dá)到2%。如果電源過載則使傳感器供電不足而造成輸出波動(dòng)。系統(tǒng)加了電源輸入保護(hù)電路，防止電源輸入過 載。采用高精度電壓源REF195 單獨(dú)給傳感器供電，有效地減小電源的波動(dòng)對(duì)輸出的影響。在電路板設(shè)計(jì)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(tǒng)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圍環(huán)境對(duì)它的影響。在單片機(jī)片內(nèi)RAM 中設(shè)定一個(gè)數(shù)組，用來存貯解算后的角度值。利用堆棧的原理將數(shù)組中新的測(cè)量值更新，對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)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，通過實(shí)驗(yàn)最終選用5 個(gè)數(shù)據(jù)處理滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。傳感器的輸出值同樣受到溫度的影響。它的內(nèi)部帶有溫度傳感器，在大多數(shù)情況下不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)傳感器工作在極限溫度附近時(shí)，可由MCU 根據(jù)其內(nèi)溫進(jìn)行補(bǔ)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(zhuǎn)換結(jié)果高?？梢杂?2Bit或16Bit 的AD 芯片或帶有更高精度AD 單片機(jī)（如C80051F060）的進(jìn)行測(cè)量得到電壓后，再進(jìn)行計(jì)算得到更高的測(cè)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(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)出它兩個(gè)方向的零點(diǎn)誤差值，作為一個(gè)常數(shù)值存入Flash 芯片中。MCU 把得到的測(cè)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(cè)量誤差。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，數(shù)字傾角傳感器工作可靠、穩(wěn)定，測(cè)量精度高，便于嵌入到其它的測(cè)量系統(tǒng)中，已經(jīng)在無人機(jī)姿態(tài)測(cè)量等多個(gè)項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。