三軸傾角傳感器系統硬體設計詳解

2020-12-27 電子產品世界

　　隨著市場需求和科技的發展，人們對工程、機械、航空、航海設備的可靠性和穩定性提出了更高的要求，其中姿態測量是一項重要的指標。傾角傳感器是測量關於某一基準面的傾斜角或者是姿態的裝置。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SCA100t(＄37.2345) 和C8051F(＄8.5976) 單片機實現的設計，可大大降低系統成本，不但可以構成一個單獨的數字輸出傳感器，也可以作為一個測量模塊，嵌入到測量控制系統中，廣泛應用於機器人控制、平臺姿態（俯仰和滾轉）測量、雙軸加速度測量等系統中。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366892.htm

　　硬體電路設計

　　整個系統結構如圖1 所示。可分為供電電路、角度測量和數據採集與輸出等。系統採用寬電源供電，經電源變換後電源分為兩路，一路是由精密穩壓晶片REF195(＄1.5240)，輸出高穩定的 5v 電壓，專為傳感器供電，以提高傳感器的輸出穩定性;另一路是由LM2937(＄0.7700)輸出的3.3v 電源，為單片機系統提供工作電源。

　　

　　圖1 系統總體框圖

　　角度測量使用了VTI 公司生產的矽基加速度傳感器SCA100t，其主要性能指標：1）雙軸向傾角測量：SCA100t 測量X-Y 方向;2） 測量範圍 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），內置11 位AD 轉換器;5）兼容SPI 的數字輸出;6）通過SPI 接口，可以訪問內部溫度傳感器。

　　SCA100t 為12 腳表貼封裝，設計時要水平安裝晶片，並注意晶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C8051F 單片機具有片上SPI 資源，與SCA100t 的SPI 時序不符，因此採用軟體模擬SPI 總線讀寫SCA100t 數據。傳感器同時還有模擬輸出接口，設計時把這兩路信號引出，滿足用戶的使用要求。數據採集處理採用了Silicon 公司的高性能C8051F005(＄9.5066) 單片機作為主處理器，它採用了CHP-51TM 微處理器內核，與8051 完全兼容，並在片上擴展了SPI、IIC AD 等多種外設，採用單指令周期，具有JTAG 接口，可直接進行調試與編程。工業上小型傳感器輸出接口一般採用RS-232C 或RS-485(＄14.5000) 接口。在設計時將這兩種接口電路都進行了設計，用戶可以選擇其中的一種接口來輸出數據。

　　Dout 為傳感器的數字量輸出;Sens 是傳感器的靈敏度，根據測量範圍不同，分別為819（4V/g）或 1638（2V/g）。單片機通過SPI 口讀取SCA100t 內的兩路傳感器的A/D 轉換結果，在單片機機內進行處理後，通過串行口輸出。同時利用SPI 接口讀出內部溫度傳感器，進行測量值的溫度補償。

　　提高精度措施

　　SCA100t 非常敏感，電源的波動或是器件的振動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;在焊接時可能焊接面不平，安裝在機殼內或嵌入在其它系統 中時也可能與基準面存在一定的角度，這些都會造成測量值的零點偏差。經過實驗和分析，主要通過以下方法來提高它的穩定性和可靠性：

　　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%。如果電源過載則使傳感器供電不足而造成輸出波動。系統加了電源輸入保護電路，防止電源輸入過 載。採用高精度電壓源REF195 單獨給傳感器供電，有效地減小電源的波動對輸出的影響。在電路板設計時，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，給這一部分電路加上鐵殼進行電磁屏蔽，減小其它工作電路或周圍環境對它的影響。在單片機片內RAM 中設定一個數組，用來存貯解算後的角度值。利用堆棧的原理將數組中新的測量值更新，對數據的數據進行加權求和平均後輸出。這樣可以減小輸出波動，但輸出有一定的滯後，通過實驗最終選用5 個數據處理滿足了系統的設計要求。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行溫度補償。當傳感器工作在極限溫度附近時，可由MCU 根據其內溫進行補償。溫度的實際值由下式算出：

　　SCA100t 還帶有模擬量輸出，其精度要比SPI 輸出的11BitAD 轉換結果高。可以用12Bit或16Bit 的AD 晶片或帶有更高精度AD 單片機（如C80051F060）的進行測量得到電壓後，再進行計算得到更高的測量精度。傳感器在焊接或安裝時，不可避免的會有一些傾斜角度，從而造成零點誤差。傳感器在安裝固定好後，在三維轉臺上進行標定，測出它兩個方向的零點誤差值，作為一個常數值存入Flash 晶片中。MCU 把得到的測量值減去零點誤差再輸出，基本消除了零點誤差引起的測量誤差。經過多次實驗改進後，數字傾角傳感器工作可靠、穩定，測量精度高，便於嵌入到其它的測量系統中，已經在無人機姿態測量等多個項目中得到了應用。

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