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三軸傾角傳感器系統(tǒng)硬件設計詳解
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2015/5/19

  隨著市場需求和科技的發(fā)展,人們對工程、機械、航空、航海設備的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求,其中姿態(tài)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(tài)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(xiàn)的設計,可大大降低系統(tǒng)成本,不但可以構成一個單獨的數(shù)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(tǒng)中,廣泛應用于機器人控制、平臺姿態(tài)(俯仰和滾轉)測量、雙軸加速度測量等系統(tǒng)中。

  硬件電路設計

  整個系統(tǒng)結構如圖1所示?煞譃楣╇婋娐、角度測量和數(shù)據(jù)采集與輸出等。系統(tǒng)采用寬電源供電,經(jīng)電源變換后電源分為兩路,一路是由精密穩(wěn)壓芯片REF195輸出高穩(wěn)定的5v電壓,專為傳感器供電,以提高傳感器的輸出穩(wěn)定性;另一路是由LM2937輸出的3.3v電源,為單片機系統(tǒng)提供工作電源。

  角度測量使用了硅基加速度傳感器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(nèi)置11位AD轉換器;5)兼容SPI的數(shù)字輸出;6)通過SPI接口,可以訪問內(nèi)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(nèi)核,與8051完全兼容,并在片上擴展了SPI、IICAD等多種外設,采用單指令周期,具有JTAG接口,可直接進行調(diào)試與編程。工業(yè)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(shù)據(jù)。

  Dout為傳感器的數(shù)字量輸出;Sens是傳感器的靈敏度,根據(jù)測量范圍不同,分別為819(4V/g)或1638(2V/g)。單片機通過SPI口讀取SCA100t內(nèi)的兩路傳感器的A/D轉換結果,在單片機機內(nèi)進行處理后,通過串行口輸出。同時利用SPI接口讀出內(nèi)部溫度傳感器,進行測量值的溫度補償。

  提高精度措施

  SCA100t非常敏感,電源的波動或是器件的振動對輸出值的精度都有很大的影響;溫度對輸出值也有一定的影響;在焊接時可能焊接面不平,安裝在機殼內(nèi)或嵌入在其它系統(tǒng)中時也可能與基準面存在一定的角度,這些都會造成測量值的零點偏差。經(jīng)過實驗和分析,主要通過以下方法來提高它的穩(wěn)定性和可靠性:

  供電電路設計

  供電電壓不穩(wěn)定可直接造成輸出的比例誤差,最大值可達到2%。如果電源過載則使傳感器供電不足而造成輸出波動。系統(tǒng)加了電源輸入保護電路,防止電源輸入過載。采用高精度電壓源REF195單獨給傳感器供電,有效地減小電源的波動對輸出的影響。在電路板設計時,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,給這一部分電路加上鐵殼進行電磁屏蔽,減小其它工作電路或周圍環(huán)境對它的影響。在單片機片內(nèi)RAM中設定一個數(shù)組,用來存貯解算后的角度值。利用堆棧的原理將數(shù)組中新的測量值更新,對數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進行加權求和平均后輸出。這樣可以減小輸出波動,但輸出有一定的滯后,通過實驗最終選用5個數(shù)據(jù)處理滿足了系統(tǒng)的設計要求。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)情況下不需要進行溫度補償。當傳感器工作在極限溫度附近時,可由MCU根據(jù)其內(nèi)溫進行補償。溫度的實際值由下式算出:

  SCA100t還帶有模擬量輸出,其精度要比SPI輸出的11BitAD轉換結果高。可以用12Bit或16Bit的AD芯片或帶有更高精度AD單片機(如C80051F060)的進行測量得到電壓后,再進行計算得到更高的測量精度。傳感器在焊接或安裝時,不可避免的會有一些傾斜角度,從而造成零點誤差。傳感器在安裝固定好后,在三維轉臺上進行標定,測出它兩個方向的零點誤差值,作為一個常數(shù)值存入Flash芯片中。MCU把得到的測量值減去零點誤差再輸出,基本消除了零點誤差引起的測量誤差。經(jīng)過多次實驗改進后,數(shù)字傾角傳感器工作可靠、穩(wěn)定,測量精度高,便于嵌入到其它的測量系統(tǒng)中,已經(jīng)在無人機姿態(tài)測量等多個項目中得到了應用。

  北京賽斯維測控技術有限公司為客戶提供不同類型傾角傳感器,產(chǎn)品咨詢熱線:010-84775646 84775648。

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