基于傾角傳感器設計的帆船姿態儀

　　隨著2008年北京奧運會的臨近，帆船運動越來越受到人們的重視，如何利用現代科技手段輔助訓練，來提高比賽成績顯得尤為重要。從賽場實時采集數據指導訓練和減輕帆船教練工作強度方面考慮，設計帆船姿態儀，可使教練員了解每位運動員具體的訓練細節，提高工作效率。

　　1 帆船姿態儀的系統設計

　　基于PIC16F877A設計的帆船姿態儀，能采集帆船行駛過程中的前后仰俯角、左右搖擺角、桅桿旋轉角和GPS系統記錄帆船行駛軌跡。系統每0.5s將采集到的數據記錄1次，記錄時間大約為5 h(小時)。上位機通過RS232接口，可將存儲的數據讀取上來。上位機可以形象地將帆船行駛軌跡、帆船前后仰俯角、左右搖擺角等數據顯示出來。它的系統結構框圖如圖1所示。

　　2 帆船姿態儀的硬件設計

　　PIC16F877A單片機作為處理器，通過采集傾角傳感器SCA60C檢測帆船的傾斜角度，然后將檢測到的數據存儲到AT45D081A-RI大容量Flash存儲器中。其部分硬件電路如圖2所示。

　　DS1302時鐘芯片記錄測控系統中的數據，并在記錄時進行時間標定。其軟硬件設計簡單，時間記錄準確，既避免了連續記錄的大工作量，又避免了定時記錄的盲目性。DS1302與CPU的連接僅需要3條線，即SCLK、I／O、RST。DS1302與單片機連接的電路原理如圖2所示。

　　采用雙電源供電方式，以便在沒有主電源的情況下仍能保存時間信息以及數據。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電，當VCC2小于VCC1時，VCC1給DS1302供電。

　　AT45D081A-RI是Atmel公司生產的大容量Flash存儲器，容量為4 Mb。它采用串行方式傳送數據，單5V電源供電；具有功耗低、體積小、容量大、傳送快，與CMOS和TTL電平兼容以及掉電后數據不丟失等特點，因此，其硬件設計與軟件編程都很容易。

　　系統通過RS232C通信方式與上位機通信，將帆船在海中行進的姿態傳送到上位機，最后由上位機軟件管理和顯示。

　　3 傾角傳感器的選取

　　系統采用上海朗尚科貿有限公司的SCA60C高精度傾角傳感器檢測帆船的傾斜角度，通過不同的安裝方式檢測帆船前后仰俯角和左右搖擺角。SCA60C實際上是一個加速度計，內部由一個硅微傳感器和信號處理芯片組成；SMD形式封裝；通過測量地球引力在測量方向上的分量，再將其轉換為傾斜角度，其模擬輸出特性如圖3所示。箭頭標明了加速度的正方向，如果帆船沿箭頭所指方向有加速度，或按圖3所示的方向傾斜，則輸出值增大。

　　其中，Offset是帆船在0 g位置時的電壓輸出(一般輸出值為2.5 V)，Sensitivity是設備的靈敏度(通常靈敏度為2 V／g)。為得到最好的精確度，應當用實際輸出值代替通常值。

　　4 上位機軟件設計

　　采用Delphi軟件設計帆船姿態儀的上位機，將帆船姿態儀采集存儲的數據通過串口讀取上來，利用上位機軟件對讀取上來的數據進行管理，并以曲線的形式形象地顯示出來，教練員可以在上位機上了解運動員訓練的具體情況。軟件界面如圖4所示。

　　結 語

　　帆船姿態儀安裝調試簡單，技術先進，功能豐富，維護方便，可幫助帆船運動員進行科學的訓練，迎接2008年北京奧運會。