基于SCA100t和C8051F單片機(jī)的數(shù)字傾角傳感器方案設(shè)計(jì)

1 引言

　　隨著市場需求和科技的發(fā)展，人們對工程、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)測量是一項(xiàng)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(jià)格昂貴或者體積較大。本文提出以雙軸傳感器SCA100t 和C8051F 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)測量模塊，嵌入到測量控制系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用于機(jī)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(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示?？煞譃楣╇婋娐?、角度測量和數(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(jī)系統(tǒng)提供工作電源。

　　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(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 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 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)。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)使用C51 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，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，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(tǒng)軟件流程圖