基于单片机的倾角测量系统设计

1、基于单片机的倾角测量系统设计组图1.引言电子经理人消息，海洋环境监测仪器是测量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿态直接影响到测量参数的精度。通过对仪器姿态的精确测量，可在一定倾角范围内对流速、流向等水文测量要素进行倾斜补偿。本文主要通过倾角传感器的选型、A/D转换及其测量控制电路的设计、与上位机的通讯等几部分，详细介绍了一种倾角测量系统的设计方案。已成功地在国家“十五”863计划“水下流浪潮综合测量技术”课题中得到应用。2.倾角测量系统的硬件设计图1是系统硬件组成的框图。如图所示，整个系统由SCA100T倾角传感器、一阶低通滤波器、ADS1211AD转换器、单片机、上位机等几部分组成。下面简

2、单对硬件的各个组成部分进行介绍：图1 硬件设计框图2.1单片机的选择单片微型计算机简称单片机。它是把组成计算机的各种功能部件：中央处理器CPU、RAM、ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机 。单片机是整个系统的核心，在本文的应用中主要用于数据采集和传输，选用的是ATMEL公司的AT89S52。2.2 AD转换器ADS1211是高精度、宽动态特性的型模拟数字转换器。它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器，可以在转换速度为10Hz时获得2

3、0位的有效精度；借助于其内部独特的调制器加速操作模式，在转换速度为1kHz时仍可达到16位的有效精度。基金项目：国家高技术研究发展（863）计划?资源环境技术领域海洋监测技术主题：水下流浪潮综合测量技术（课题号：2002AA632060）ADS1211有主动和从动两种工作方式，在本应用中ADS1211与单片机的连接采用四线制从动方式（如图2），即ADS1211的SDOUT、SDIO、SCLK、DRDY分别与单片机的P1.4、P1.5、 P1.6、P1.7口连接。采样数据通过SDOUT传输到单片机，单片机通过查询DRDY接收数据。单片机通过SDIO向ADS1211发送命令。SCLK引脚上的串行通

4、波特率由软件编程实现。图2 倾角测量系统电路原理图2.3 倾角传感器倾角传感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微电子机电技术（EMES）制造的一款双轴加速度传感器，SCA100T单轴的最大输出范围约为40度，有效输出范围为30度。在采样频率为8Hz及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。图3给出水平放置示意图

5、：图3水平放置方法水平放置在60度的范围内有很好的分辨率，当大于60度时，传感器将变得不灵敏（此时arcsin函数逐渐接近水平位置），当倾角接近90度时则无法测量。水平放置时应用如下的公式计算倾角：可求得 为38.7度。考虑到仪器的倾斜不应该大于30度（如果大于30度只能重新安装），所以传感器安装时采用此种水平放置方法。同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的MISO、MOSI、SCK、CSB与单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相连。MISO用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据， MOSI与单片机的P1.2 引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用

6、软件编程通过P1.3向SCK提供串口通讯脉冲。CSB为片选信号引脚。另外，SCA100T内部带有温度传感器，可对温度误差补偿，在商业温度范围内可不考虑温度的影响。2.4一阶低通滤波器由于SCA100T系列内置一个11位的A/D转换器，会产生周期为50-70微秒持续时间大约1微秒的毛刺，这个毛刺被叠加到模拟信号输出端。在低速转换时影响不大，但在进行高速转换时可能引起测量错误。因此需要在模拟信号的输出端加上一个一阶低通滤波器，可有效滤除毛刺的影响。2.5 电源部分为了减少模拟信号噪声，采用MAXIM公司的低噪声高稳定性MAX6325电源芯片给ADS1211提供参考电源，使用MAX6350芯片给AD

7、S1211提供模拟电源，同时也给传感器提供电源。3.软件设计软件分为下位机软件和上位机软件两部分。3.1单片机软件编程对于51系列单片机，目前有汇编、PL/M、C和BASIC四种语言支持。本文下位机软件采用Keil C51程序编写。主要由主程序、读ADS1211子程序、读SCA100T子程序、串口发送子程序和命令接收子程序等部分组成。图1.4为程序流程图：图4单片机程序流程图如图所示，整个程序采用顺序结构。为了加快系统的响应速度和提高计算精度，运算由上位机程序完成，下位机只负责数据采集和数据传输。命令接收子程序通过接收上位机传输的命令进行系统自检、参数修正等等。上位机的命令发送采用间隔10ms

8、反复发送的方式，直到单片机将接收到的命令返回为止。如在1s内单片机没有响应，则设置超时，系统复位单片机。3.2 上位机软件编程单片机与上位机的通讯采用Visual C+6.0编写，程序在Windows XP下编译通过。3.2.1串行通讯的实现目前串行通讯主要有两种实现方法：一种是利用Windows API函数或是利用Microsoft Visual Studio的ActiveX控件MSComm。利用indows API函数进行串口编程实现了设备无关性，但此种不但调用了大量的API函数，还涉及到进程调用问题，编程十分复杂繁琐。本文采用MSComm控件，它间接调用Windows API函数，使编程人员在程序设计的时候不必再考虑复杂的系统函数，使编程工作变得简便，同时又能满足实际情况的工控要求。实现测量系统与PC机的通讯，首先在程序里嵌入MSComm控件，并设置通讯参数，这里设置波特率为2400bps，8位数据位，无奇偶校验位，接收数据时采用事件驱动方式，响应Oncomm事件，当接收缓冲区中接收到的字符数超过一定值产生缓冲区有字符事件。然后用GetInput（）读取缓冲区，用SetInputMode（1）设置输入数据类型为以二进制方式取回数据。这样可以接收ASCII字符0。3.2.2 倾角的计算由上位机取得