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(＄37.2345) 和C8051F(＄8.5976) 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(＄1.5240)，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(＄0.7700)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(＄9.5066) 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(＄14.5000) 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。

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