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基于C8051F單片機的數(shù)字傾角傳感器設(shè)計

作者: 時間:2011-11-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  1 引言

  隨著市場需求和科技的發(fā)展,人們對工程、機械、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)測量是一項重要的指標(biāo)。傾角傳感器是測量關(guān)于某一基準(zhǔn)面的傾斜角或者是姿態(tài)的裝置。目前,市場上已有單軸、雙軸、三軸的傾角傳感器,但大多都價格昂貴或者體積較大。本文提出以雙軸傳感器 單片機實現(xiàn)的設(shè)計,可大大降低系統(tǒng)成本,不但可以構(gòu)成一個單獨的數(shù)字輸出傳感器,也可以作為一個測量模塊,嵌入到測量控制系統(tǒng)中,廣泛應(yīng)用于機器人控制、平臺姿態(tài)(俯仰和滾轉(zhuǎn))測量、雙軸加速度測量等系統(tǒng)中。

  2 硬件電路設(shè)計

  整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示??煞譃楣╇婋娐贰⒔嵌葴y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,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輸出的3.3v 電源,為單片機系統(tǒng)提供工作電源。

  

基于C8051F單片機的數(shù)字傾角傳感器設(shè)計


  圖1 系統(tǒng)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(biāo):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)計時要水平安裝芯片,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 個時鐘,雖然 單片機具有片上SPI 資源,與SCA100T 的SPI 時序不符,因此采用軟件模擬SPI 總線讀寫SCA100T 數(shù)據(jù)。

  傳感器同時還有模擬輸出接口,設(shè)計時把這兩路信號引出,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005 單片機作為主處理器,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 接口。在設(shè)計時將這兩種接口電路都進行了設(shè)計,用戶可以選擇其中的一種接口來輸出數(shù)據(jù)。

  3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

  整個系統(tǒng)使用C51 進行程序設(shè)計,使用模塊化結(jié)構(gòu),條理清楚。主要功能有控制SCA100T,讀取雙軸測量數(shù)據(jù)和內(nèi)部溫度值;完成電壓值-角度的變換;輸出數(shù)據(jù)的修正;數(shù)據(jù)輸出的軟件濾波;接收串口命令,輸出測量數(shù)據(jù)。軟件流程如圖2 所示。

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

  α=arcsin((Dout-1024)/Sens)

  

基于C8051F單片機的數(shù)字傾角傳感器設(shè)計

  圖2 系統(tǒng)軟件流程圖


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