三轴倾角传感器系统硬件设计详解

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　　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。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。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。当传感器工作在极限温度附近时，可由MCU 根据其内温进行补偿。温度的实际值由下式算出：

　　SCA100t 还带有模拟量输出，其精度要比SPI 输出的11BitAD 转换结果高。可以用12Bit或16Bit 的AD 芯片或带有更高精度AD 单片机（如C80051F060）的进行测量得到电压后，再进行计算得到更高的测量精度。传感器在焊接或安装时，不可避免的会有一些倾斜角度，从而造成零点误差。传感器在安装固定好后，在三维转台上进行标定，测出它两个方向的零点误差值，作为一个常数值存入Flash 芯片中。MCU 把得到的测量值减去零点误差再输出，基本消除了零点误差引起的测量误差。经过多次实验改进后，数字倾角传感器工作可靠、稳定，测量精度高，便于嵌入到其它的测量系统中，已经在无人机姿态测量等多个项目中得到了应用。