基于倾角传感器设计的帆船姿态仪

随着2008年北京奥运会的临近，帆船运动越来越受到人们的重视，如何利用现代科技手段辅助训练，来提高比赛成绩显得尤为重要。从赛场实时采集数据指导训练和减轻帆船教练工作强度方面考虑，设计帆船姿态仪，可使教练员了解每位运动员具体的训练细节，提高工作效率。

　　1 帆船姿态仪的系统设计

　　基于PIC16F877A设计的帆船姿态仪，能采集帆船行驶过程中的前后仰俯角、左右摇摆角、桅杆旋转角和GPS系统记录帆船行驶轨迹。系统每0.5s将采集到的数据记录1次，记录时间大约为5 h(小时)。上位机通过RS232接口，可将存储的数据读取上来。上位机可以形象地将帆船行驶轨迹、帆船前后仰俯角、左右摇摆角等数据显示出来。它的系统结构框图如图1所示。

　　2 帆船姿态仪的硬件设计

　　PIC16F877A单片机作为处理器，通过采集倾角传感器SCA60C检测帆船的倾斜角度，然后将检测到的数据存储到AT45D081A-RI大容量Flash存储器中。其部分硬件电路如图2所示。

　　DS1302时钟芯片记录测控系统中的数据，并在记录时进行时间标定。其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性。DS1302与CPU的连接仅需要3条线，即SCLK、I／O、RST。DS1302与单片机连接的电路原理如图2所示。

　　采用双电源供电方式，以便在没有主电源的情况下仍能保存时间信息以及数据。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电，当VCC2小于VCC1时，VCC1给DS1302供电。

　　AT45D081A-RI是Atmel公司生产的大容量Flash存储器，容量为4 Mb。它采用串行方式传送数据，单5V电源供电；具有功耗低、体积小、容量大、传送快，与CMOS和TTL电平兼容以及掉电后数据不丢失等特点，因此，其硬件设计与软件编程都很容易。

　　系统通过RS232C通信方式与上位机通信，将帆船在海中行进的姿态传送到上位机，最后由上位机软件管理和显示。

　　3 倾角传感器的选取

　　系统采用上海朗尚科贸有限公司的SCA60C高精度倾角传感器检测帆船的倾斜角度，通过不同的安装方式检测帆船前后仰俯角和左右摇摆角。SCA60C实际上是一个加速度计，内部由一个硅微传感器和信号处理芯片组成；SMD形式封装；通过测量地球引力在测量方向上的分量，再将其转换为倾斜角度，其模拟输出特性如图3所示。箭头标明了加速度的正方向，如果帆船沿箭头所指方向有加速度，或按图3所示的方向倾斜，则输出值增大。

　　其中，Offset是帆船在0 g位置时的电压输出(一般输出值为2.5 V)，Sensitivity是设备的灵敏度(通常灵敏度为2 V／g)。为得到最好的精确度，应当用实际输出值代替通常值。

　　4 上位机软件设计

　　采用Delphi软件设计帆船姿态仪的上位机，将帆船姿态仪采集存储的数据通过串口读取上来，利用上位机软件对读取上来的数据进行管理，并以曲线的形式形象地显示出来，教练员可以在上位机上了解运动员训练的具体情况。软件界面如图4所示。

　　结 语

　　帆船姿态仪安装调试简单，技术先进，功能丰富，维护方便，可帮助帆船运动员进行科学的训练，迎接2008年北京奥运会。