SCA100t和MCU在數(shù)字傾角傳感器中的應(yīng)用

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)使用C51 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使用模塊化結(jié)構(gòu)，條理清楚。主要功能有控制SCA100T，讀取雙軸測(cè)量數(shù)據(jù)和內(nèi)部溫度值;完成電壓值-角度的變換;輸出數(shù)據(jù)的修正;數(shù)據(jù)輸出的軟件濾波;接收串口命令，輸出測(cè)量數(shù)據(jù)。軟件流程如圖2 所示。

根據(jù)器件手冊(cè)可以看到，SCA100t 輸出的電壓值與角度有以下關(guān)系：

α=arcsin((Dout-1024)/Sens)

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

Dout 為傳感器的數(shù)字量輸出;

Sens 是傳感器的靈敏度，根據(jù)測(cè)量范圍不同，分別為819(4V/g)或 1638(2V/g)。單片機(jī)通過(guò)SPI 口讀取SCA100T 內(nèi)的兩路傳感器的A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，在單片機(jī)機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理后，通過(guò)串行口輸出。同時(shí)利用SPI 接口讀出內(nèi)部溫度傳感器，進(jìn)行測(cè)量值的溫度補(bǔ)償。

4 提高精度措施

SCA100T 非常敏感，電源的波動(dòng)或是器件的振動(dòng)對(duì)輸出值的精度都有很大的影響;溫度對(duì)輸出值也有一定的影響;在焊接時(shí)可能焊接面不平，安裝在機(jī)殼內(nèi)或嵌入在其它系統(tǒng)中時(shí)也可能與基準(zhǔn)面存在一定的角度，這些都會(huì)造成測(cè)量值的零點(diǎn)偏差。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，主要通過(guò)以下方法來(lái)提高它的穩(wěn)定性和可靠性：

4.1 供電電路設(shè)計(jì)

供電電壓不穩(wěn)定可直接造成輸出的比例誤差，最大值可達(dá)到2%。如果電源過(guò)載則使傳感器供電不足而造成輸出波動(dòng)。系統(tǒng)加了電源輸入保護(hù)電路，防止電源輸入過(guò)載。采用高精度電壓源REF195 單獨(dú)給傳感器供電，有效地減小電源的波動(dòng)對(duì)輸出的影響。在電路板設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器的電源和地之間加上10nF 的濾波電容，在模擬輸出端加上10uF 濾波電容，也可以減小了紋波，從而減小了輸出誤差;工作在嵌入系統(tǒng)中時(shí)，給這一部分電路加上鐵殼進(jìn)行電磁屏蔽，減小其它工作電路或周圍環(huán)境對(duì)它的影響。

4.2 軟件濾波

在單片機(jī)片內(nèi)RAM 中設(shè)定一個(gè)數(shù)組，用來(lái)存貯解算后的角度值。利用堆棧的原理將數(shù)組中新的測(cè)量值更新，對(duì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和平均后輸出。這樣可以減小輸出波動(dòng)，但輸出有一定的滯后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終選用5 個(gè)數(shù)據(jù)處理滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4.3 溫度補(bǔ)償

傳感器的輸出值同樣受到溫度的影響。它的內(nèi)部帶有溫度傳感器，在大多數(shù)情況下不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。當(dāng)傳感器工作在極限溫度附近時(shí)，可由MCU 根據(jù)其內(nèi)溫進(jìn)行補(bǔ)償。溫度的實(shí)際值由下式算出：

Treal=(Counts-197)/(-1.083)

式中Counts 為傳感器的輸出值。

4.4 模擬量輸出

Sca100t 還帶有模擬量輸出，其精度要比SPI 輸出的11BitAD 轉(zhuǎn)換結(jié)果高。可以用12Bit或16Bit 的AD 芯片或帶有更高精度AD 單片機(jī)(如C80051F060)的進(jìn)行測(cè)量得到電壓后，再進(jìn)行計(jì)算得到更高的測(cè)量精度。

4.5 零點(diǎn)校正

傳感器在焊接或安裝時(shí)，不可避免的會(huì)有一些傾斜角度，從而造成零點(diǎn)誤差。傳感器在安裝固定好后，在三維轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)出它兩個(gè)方向的零點(diǎn)誤差值，作為一個(gè)常數(shù)值存入Flash 芯片中。MCU 把得到的測(cè)量值減去零點(diǎn)誤差再輸出，基本消除了零點(diǎn)誤差引起的測(cè)量誤差。

5 小結(jié)

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，數(shù)字傾角傳感器工作可靠、穩(wěn)定，測(cè)量精度高，便于嵌入到其它的測(cè)量系統(tǒng)中，已經(jīng)在無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量等多個(gè)項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。