基于倾角传感器的倾角测量系统设计

引言
目前，业内对倾角的测量多是基于MEMS的加速度传感器，SCA100T是由芬兰VTI公司推出，采用三维MEMS技术开发的一款高精度双轴倾角传感器，可同时测量相对于水平面的倾斜和俯仰角度，具有温度补偿功能。本文以塔式起重机为应用背景，采用SCA100T倾角传感器实时采集倾斜信息，检测塔式起重机支撑架的平衡性能，避免由于其过度倾斜而引发事故。以SCA100T为基础设计了一款小巧、灵敏度高的倾角测量系统，分析了SCA100T倾角传感器测角的原理，给出了系统各个模块的软硬件设计方法，同时提供了两种具有可扩展性的应用方法。

1 整体设计
图1所示为本系统的整体结构框图。该系统采用ATmega8单片机控制SCA100T倾角传感器实时检测平台的倾角变化，将传感器输出的数字量进行换算后，转换为实际的倾角值。用户可以根据需要设置警界倾角值和预定平台水平位置，倾角信息可通过LCD实时显示或通过串口输出到上层控制器中。当倾角信息超过预置的警界倾角值时，系统开始报警，表现为蜂鸣器报警和LED灯闪烁。

系统根据输出方式的不同分为两种应用方式：一种是作为独立系统使用，固定在待测平台上；另一种是将该系统作为一个倾角采集模块，挂接在其他电路中使用。前者采用LCD1602实时显示倾角信息，采用串口超级终端预设倾角警界值和水平位置；后者通过串口输出倾角信息，允许软件编程通过发送串口命令进行配置。配置信息均保存在ATmega8单片机内部的EEPROM中。

2 倾角测量原理
本文选用的SCA100T的测量范围为±30°，其内部包含硅电容感应元件、EEPROM存储器、信号调理电路、A／D转换器、温度传感器和SPI传输接口等，SCA100T功能框图如图2所示。该传感器具有X、Y两个通道，分别用来测量倾斜和俯仰的加速度，每个通道具有自测试系统，可内部产生一个静电力来校验全部的信号通道。信号输出有SPI数字信号输出和模拟电压信号输出两种方式，同时可输出温度信息进行温度补偿。

SCA100T的测角原理为：通过测量静态重力加速度的变化，将其转换成倾角变化。SCA100T的硅电容感应元件由3层硅片构成，形成立体结构，当发生倾斜时，中间质量片会倾向某一侧，从而使两侧的电容发生变化。通过电压值可反映相应的加速度值，进而可计算角度值。图3所示分别为X轴与Y轴的倾角变化情况(X／Y是从倾斜方向来划分的)，以X轴为例，其加速度值与重力加速度之间的关系为：
Ax=g·sina→α=arcsin(Ax／g)
其中，Ax表示X轴测出的加速度值，g表示重力加速度值，α为X轴倾角。

3 系统硬件设计
系统的整体硬件电路如图4所示。系统采用SCA100T的SPI接口来读取输出信息，可避免额外的A／D采样。由于ATmega8具有1路SPI中断，因此可直接将传感器作为从器件接到单片机的SPI接口上。系统通过控制三极管的开通与关闭来控制蜂鸣器和LED指示灯的导通与关闭，从而达到报警的功能。把ATmega 8单片机的PD2引脚接到三极管的基极，正常工作时将PD2置低电平。当发生报警时，将PD2置高电平，此时三极管导通，蜂鸣器发出响声，LED指示灯变亮。

系统采用LCD1602字符型液晶模块来显示倾角信息，该模块可同时显示两行字符，分别为X轴与Y轴倾角信息。模块通常采用HD44780芯片具有标准的16条引脚线。对于串口传输，系统采用TTL电平和RS232两种输出方式，单片机输出的TTL，电平可经过MAX232芯片转换后变为RS 232信号，通过标准串口线与上位机通信。
采用哪种串口输出方式取决于工作方式。当采用串口超级终端对系统进行预置时，需要用短路块将ATmega8单片机的TTL输出接到MAX232芯片的TTL输入端；当采用软件编程方式时，可直接将ATmega8单片机的TTL输出接到其他电路的TX／RX端，作为其外围电路使用，此时需要注意波特率的设置。
另外，系统设计了模式选择功能，将ATmega8单片机的PB0和PB1引出，前者用于选择是否采用LCD显示，后者用于选择是否进入串口超级终端配置模式。正常工作时，这两个引脚为高电平，表示选择串口超级终端配置模式，允许通过串口软件编程；当用短路块将PB0接地时，表示选择LCD显示方式；当PB1接地时，表示进入串口超级终端，并对系统进行预置。

4 系统软件设计
系统整体的软件流程如图5所示。系统上电后，单片机首先对引脚初始化，设置SPI模式，开SPI和串口中断。如果选择了LCD显示功能，还需要对LCD控制引脚进行初始化，显示初始化信息。然后根据是否选择了串口超级终端配置功能，决定下一步操作。

当该功能被选中时，系统进入超级终端处理程序，首先向PC端超级终端发送提示字符，等待用户选择和输入预设数据，收到相关数据后，将其反馈给PC端显示，同时进行预设处理，并将预设的数值写入EEPROM。当未选中该功能时，系统进入正常的工作状态，如果发生串口中断，则进入串口处理程序，根据收到串口数据帧是预设命令还是请求数据进行不同的处理。前者则将预设数值写入EEPROM，若是后者则将倾角信息上传给上层控制器。如果没有发生串口中断，则主程序通过SPI接口采集传感器输出的加速度数字量，并将其转换为实际倾角信息，判断倾角是否超过预设角度值。如果超过则开始报警，同时如果选中了LCD显示功能，还需要通过并口将数值输出到LCD1602显示。