基于单片机的倾角测量系统设计

海洋环境监测仪器是测量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿态直接影响到测量参数的精度。通过对仪器姿态的精确测量，可在一定倾角范围内对流速、流向等水文测量要素进行倾斜补偿。
1.引言

　 本文主要通过倾角传感器的选型、A/D转换及其测量控制电路的设计、与上位机的通讯等几部分，详细介绍了一种倾角测量系统的设计方案。已成功地在国家"十五"863计划"水下流浪潮综合测量技术"课题中得到应用。

2.倾角测量系统的硬件设计

　 图1是系统硬件组成的框图。如图所示，整个系统由SCA100T倾角传感器、一阶低通滤波器、ADS1211AD转换器、单片机、上位机等几部分组成。下面简单对硬件的各个组成部分进行介绍：

图1 硬件设计框图

2.1单片机的选择

　单片微型计算机简称单片机。它是把组成计算机的各种功能部件：中央处理器CPU、RAM、ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机 。单片机是整个系统的核心，在本文的应用中主要用于数据采集和传输，选用的是ATMEL公司的AT89S52。

2.2 AD转换器

ADS1211是高精度、宽动态特性的Δ－Σ型模拟／数字转换器。它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的Δ－Σ结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器，可以在转换速度为10Hz时获得20位的有效精度；借助于其内部独特的调制器加速操作模式，在转换速度为1kHz时仍可达到16位的有效精度。

　 基金项目：国家高技术研究发展（863）计划-资源环境技术领域海洋监测技术主题：水下流浪潮综合测量技术（课题号：2002AA632060）

　 ADS1211有主动和从动两种工作方式，在本应用中ADS1211与单片机的连接采用四线

　 制从动方式（如图2），即ADS1211的SDOUT、SDIO、SCLK、DRDY分别与单片机的P1.4、P1.5、 P1.6、P1.7口连接。采样数据通过SDOUT传输到单片机，单片机通过查询DRDY接收数据。单片机通过SDIO向ADS1211发送命令。SCLK引脚上的串行通波特率由软件编程实现。

图2 倾角测量系统电路原理图

2.3 倾角传感器

　 倾角传感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微电子机电技术（EMES）制造的一款双轴加速度传感器，SCA100T单轴的最大输出范围约为±40度，有效输出范围为±30度。在采样频率为8Hz及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。

　 加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。

　 图3给出水平放置示意图：

图3水平放置方法

水平放置在±60度的范围内有很好的分辨率，当大于±60度时，传感器将变得不灵敏（此时arcsin函数逐渐接近水平位置），当倾角接近90度时则无法测量。水平放置时应用如下的公式计算倾角：

可求得 为38.7度。考虑到仪器的倾斜不应该大于±30度（如果大于±30度只能重新安装），所以传感器安装时采用此种水平放置方法。

　 同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的MISO、MOSI、SCK、CSB与单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相连。MISO用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据， MOSI与单片机的P1.2 引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过P1.3向SCK提供串口通讯脉冲。CSB为片选信号引脚。另外，SCA100T内部带有温度传感器，可对温度误差补偿，在商业温度范围内可不考虑温度的影响。

2.4一阶低通滤波器

　 由于SCA100T系列内置一个11位的A/D转换器，会产生周期为50-70微秒持续时间大约1微秒的毛刺，这个毛刺被叠加到模拟信号输出端。在低速转换时影响不大，但在进行高速转换时可能引起测量错误。因此需要在模拟信号的输出端加上一个一阶低通滤波器，可有效滤除毛刺的影响。

2.5 电源部分

　 为了减少模拟信号噪声，采用MAXIM公司的低噪声高稳定性MAX6325电源芯片给ADS1211提供参考电源，使用MAX6350芯片给ADS1211提供模拟电源，同时也给传感器提供电源。

3.软件设计

　 软件分为下位机软件和上位机软件两部分。

　 3.1单片机软件编程

　 对于51系列单片机，目前有汇编、PL/M、C和BASIC四种语言支持。本文下位机软件采用Keil C51程序编写。主要由主程序、读ADS1211子程序、读SCA100T子程序、串口发送子程序和命令接收子程序等部分组成。图1.4为程序流程图：