3 系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)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(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，輸出測量數(shù)據(jù)。軟件流程如圖2 所示。

根據(jù)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(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。

4 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：

4.1 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。

4.2 軟件濾波

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。

4.3 溫度補償

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：

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 轉換結果高?？梢杂?2Bit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。

4.5 零點校正

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。

5 小結

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。