SCA100t 和MCU在数字倾角传感器中的应用

采用VTI 公司生产的SCA100t 双轴倾角传感器和C8051F 系列单片机构成的数字倾角传感器，工作可靠,测量精度高。论文中主要论述了系统的硬件电路设计、软件工作流程，对影响精度的因素进行了分析，并提出了可行的解决方法。

1 引言

随 着市场需求和科技的发展，人们对工程、机械、航空、航海设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求，其中姿态测量是一项重要的指标。倾角传感器是测量关于某一 基准面的倾斜角或者是姿态的装置。目前，市场上已有单轴、双轴、三轴的倾角传感器，但大多都价格昂贵或者体积较大。本文提出以双轴传感器SCA100t 和C8051F 单片机实现的设计，可大大降低系统成本，不但可以构成一个单独的数字输出传感器，也可以作为一个测量模块，嵌入到测量控制系统中，广泛应用于机器人控制、 平台姿态(俯仰和滚转)测量、双轴加速度测量等系统中。

2 硬件电路设计

整 个系统结构如图1 所示。可分为供电电路、角度测量和数据采集与输出等。系统采用宽电源供电，经电源变换后电源分为两路，一路是由精密稳压芯片REF195，输出高稳定的 5v 电压，专为传感器供电，以提高传感器的输出稳定性;另一路是由LM2937输出的3.3v 电源，为单片机系统提供工作电源。

图1 系统总体框图

角 度测量使用了VTI 公司生产的硅基加速度传感器SCA100T，其主要性能指标：1)双轴向倾角测量：SCA100T 测量X-Y 方向;2) 测量范围 1.7g;3) 测量灵敏度1.2V/g;4)+5V单电源供电，两个比例电压输出(模拟)，内置11 位AD 转换器;5)兼容SPI 的数字输出;6)通过SPI 接口，可以访问内部温度传感器。

SCA100T 为12 脚表贴封装，设计时要水平安装芯片，并注意芯片上面箭头所指方向为正方向。输出使用SPI 接口，周期为19 个时钟，虽然C8051F 单片机具有片上SPI 资源，与SCA100T 的SPI 时序不符，因此采用软件模拟SPI 总线读写SCA100T 数据。

传感器同时还有模拟输出接口，设计时把这两路信号引出,满足用户的使用要求。

数 据采集处理采用了Silicon 公司的高性能C8051F005 单片机作为主处理器，它采用了CHP-51TM 微处理器内核，与8051 完全兼容，并在片上扩展了SPI、IIC AD 等多种外设，采用单指令周期，具有JTAG 接口，可直接进行调试与编程。工业上小型传感器输出接口一般采用RS-232C 或RS-485 接口。在设计时将这两种接口电路都进行了设计，用户可以选择其中的一种接口来输出数据。

3 系统软件设计

整个系统使用C51 进行程序设计，使用模块化结构，条理清楚。主要功能有控制SCA100T，读取双轴测量数据和内部温度值;完成电压值-角度的变换;输出数据的修正;数据输出的软件滤波;接收串口命令，输出测量数据。软件流程如图2 所示。

根据器件手册可以看到，SCA100t 输出的电压值与角度有以下关系：

α=arcsin((Dout-1024)/Sens)

图2 系统软件流程图

Dout 为传感器的数字量输出;Sens 是传感器的灵敏度，根据测量范围不同，分别为819(4V/g)或 1638(2V/g)。单片机通过SPI 口读取SCA100T 内的两路传感器的A/D 转换结果，在单片机机内进行处理后，通过串行口输出。同时利用SPI 接口读出内部温度传感器，进行测量值的温度补偿。

4 提高精度措施

SCA100T 非常敏感，电源的波动或是器件的振动对输出值的精度都有很大的影响;温度对输出值也有一定的影响;在焊接时可能焊接面不平，安装在机壳内或嵌入在其它系统 中时也可能与基准面存在一定的角度，这些都会造成测量值的零点偏差。经过实验和分析，主要通过以下方法来提高它的稳定性和可靠性：

4.1 供电电路设计

供 电电压不稳定可直接造成输出的比例误差，最大值可达到2%。如果电源过载则使传感器供电不足而造成输出波动。系统加了电源输入保护电路，防止电源输入过 载。采用高精度电压源REF195 单独给传感器供电，有效地减小电源的波动对输出的影响。在电路板设计时，传感器的电源和地之间加上10nF 的滤波电容，在模拟输出端加上10uF 滤波电容，也可以减小了纹波，从而减小了输出误差;工作在嵌入系统中时，给这一部分电路加上铁壳进行电磁屏蔽，减小其它工作电路或周围环境对它的影响。

4.2 软件滤波

在单片机片内RAM 中设定一个数组，用来存贮解算后的角度值。利用堆栈的原理将数组中新的测量值更新，对数据的数据进行加权求和平均后输出。这样可以减小输出波动，但输出有一定的滞后，通过实验最终选用5 个数据处理满足了系统的设计要求。

4.3 温度补偿

传感器的输出值同样受到温度的影响。它的内部带有温度传感器，在大多数情况下不需要进行温度补偿。