1 引言

　　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于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 和C8051F 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，廣泛應用于機器人控制、平臺姿態(俯仰和滾轉)測量、雙軸加速度測量等系統中。

　　2 硬件電路設計

　　整個系統結構如圖1 所示。可分為供電電路、角度測量和數據采集與輸出等。系統采用寬電源供電，經電源變換后電源分為兩路，一路是由精密穩壓芯片REF195，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 公司生產的硅基加速度傳感器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C8051F 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。

　　數據采集處理采用了Silicon 公司的高性能C8051F005 單片機作為主處理器，它采用了CHP-51TM 微處理器內核，與8051 完全兼容，并在片上擴展了SPI、IIC AD 等多種外設，采用單指令周期，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采用RS-232C 或RS-485 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。

　　3 系統軟件設計

　　整個系統使用C51 進行程序設計，使用模塊化結構，條理清楚。主要功能有控制SCA100T，讀取雙軸測量數據和內部溫度值;完成電壓值-角度的變換;輸出數據的修正;數據輸出的軟件濾波;接收串口命令，輸出測量數據。軟件流程如圖2 所示。

　　根據器件手冊可以看到，SCA100t 輸出的電壓值與角度有以下關系：

　　α=arcsin((Dout-1024)/Sens)

?

　　圖2 系統軟件流程圖

　　Dout 為傳感器的數字量輸出;

　　Sens 是傳感器的靈敏度，根據測量范圍不同，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后，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。

　　4 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：

　　4.1 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。采用高精度電壓源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。

　　4.2 軟件濾波

　　在單片機片內RAM 中設定一個數組，用來存貯解算后的角度值。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后輸出。這樣可以減小輸出波動，但輸出有一定的滯后，通過實驗最終選用5 個數據處理滿足了系統的設計要求。

　　4.3 溫度補償

　　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：

　　Treal=(Counts-197)/(-1.083)

　　式中Counts 為傳感器的輸出值。

　　4.4 模擬量輸出

　　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 芯片或帶有更高精度AD 單片機(如C80051F060)的進行測量得到電壓后，再進行計算得到更高的測量精度。

　　4.5 零點校正

　　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后，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 芯片中。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。

　　5 小結

　　經過多次實驗改進后，數字傾角傳感器工作可靠、穩定，測量精度高，便于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。