基于SCA100t和C8051F單片機的數字傾角傳感器方案設計

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