基于單片機的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計
海洋環(huán)境監(jiān)測儀器是測量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿態(tài)直接影響到測量參數(shù)的精度。通過對儀器姿態(tài)的精確測量，可在一定傾角范圍內(nèi)對流速、流向等水文測量要素進行傾斜補償。本文主要通過傾角傳感器的選型、A/D轉(zhuǎn)換及其測量控制電路的設(shè)計、與上位機的通訊等幾部分，詳細介紹了一種傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計方案。已成功地在國家“十五”863計劃“水下流浪潮綜合測量技術(shù)”課題中得到應(yīng)用。
2.傾角測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計
圖1是系統(tǒng)硬件組成的框圖。如圖所示，整個系統(tǒng)由SCA100T傾角傳感器、一階低通濾波器、ADS1211AD轉(zhuǎn)換器、單片機、上位機等幾部分組成。下面簡單對硬件的各個組成部分進行介紹：
圖1 硬件設(shè)計框圖
2.1單片機的選擇
單片微型計算機簡稱單片機。它是把組成計算機的各種功能部件：中央處理器CPU、RAM、ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，構(gòu)成一個完整的微型計算機 。單片機是整個系統(tǒng)的核心，在本文的應(yīng)用中主要用于數(shù)據(jù)采集和傳輸，選用的是ATMEL公司的AT89S52。
2.2 AD轉(zhuǎn)換器
基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計劃—資源環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域海洋監(jiān)測技術(shù)主題：水下流浪潮綜合測量技術(shù)（課題號：2002AA632060）
ADS1211有主動和從動兩種工作方式，在本應(yīng)用中ADS1211與單片機的連接采用四線
制從動方式（如圖2），即ADS1211的SDOUT、SDIO、SCLK、DRDY分別與單片機的P1.4、P1.5、 P1.6、P1.7口連接。采樣數(shù)據(jù)通過SDOUT傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機通過查詢DRDY接收數(shù)據(jù)。單片機通過SDIO向ADS1211發(fā)送命令。SCLK引腳上的串行通波特率由軟件編程實現(xiàn)。
圖2 傾角測量系統(tǒng)電路原理圖
2.3 傾角傳感器
傾角傳感器采用VTI Technologies 公司的SCA100T系列。SCA100T是采用微電子機電技術(shù)（EMES）制造的一款雙軸加速度傳感器，SCA100T單軸的最大輸出范圍約為±40度，有效輸出范圍為±30度。在采樣頻率為8Hz及以下時，可獲得0.002度的輸出分辨率。
加速度傳感器可以用來測定變化或恒定的加速度。恒定加速度的一個特例就是重力加速度，當(dāng)傳感器靜止時（沒有水平或垂直方向的加速度時），重力加速度方向和傳感器靈敏軸的夾角就是傾角。雙軸加速度傳感器測量傾角有兩種放置方法：水平放置和一軸垂直放置。
圖3給出水平放置示意圖：
圖3水平放置方法
水平放置在±60度的范圍內(nèi)有很好的分辨率，當(dāng)大于±60度時，傳感器將變得不靈敏（此時arcsin函數(shù)逐漸接近水平位置），當(dāng)傾角接近90度時則無法測量。水平放置時應(yīng)用如下的公式計算傾角：
可求得 為38.7度?？紤]到儀器的傾斜不應(yīng)該大于±30度（如果大于±30度只能重新安裝），所以傳感器安裝時采用此種水平放置方法。
同時，為了進行傳感器自檢和內(nèi)部校正，分別將傳感器的MISO、MOSI、SCK、CSB與單片機的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4相連。MISO用于傳輸傳感器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字數(shù)據(jù)， MOSI與單片機的P1.2 引腳相連，用于向傳感器發(fā)送命令和進行傳感器內(nèi)部自校正，使用軟件編程通過P1.3向SCK提供串口通訊脈沖。CSB為片選信號引腳。另外，SCA100T內(nèi)部帶有溫度傳感器，可對溫度誤差補償，在商業(yè)溫度范圍內(nèi)可不考慮溫度的影響。
2.4一階低通濾波器
由于SCA100T系列內(nèi)置一個11位的A/D轉(zhuǎn)換器，會產(chǎn)生周期為50-70微秒持續(xù)時間大約1微秒的毛刺，這個毛刺被疊加到模擬信號輸出端。在低速轉(zhuǎn)換時影響不大，但在進行高速轉(zhuǎn)換時可能引起測量錯誤。因此需要在模擬信號的輸出端加上一個一階低通濾波器，可有效濾除毛刺的影響。
2.5 電源部分
為了減少模擬信號噪聲，采用MAXIM公司的低噪聲高穩(wěn)定性MAX6325電源芯片給ADS1211提供參考電源，使用MAX6350芯片給ADS1211提供模擬電源，同時也給傳感器提供電源。
3.軟件設(shè)計
軟件分為下位機軟件和上位機軟件兩部分。
3.1單片機軟件編程
對于51系列單片機，目前有匯編、PL/M、C和BASIC四種語言支持。本文下位機軟件采用Keil C51程序編寫。主要由主程序、讀ADS1211子程序、讀SCA100T子程序、串口發(fā)送子程序和命令接收子程序等部分組成。圖1.4為程序流程圖：
圖4單片機程序流程圖
如圖所示，整個程序采用順序結(jié)構(gòu)。為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度和提高計算精度，運算由上位機程序完成，下位機只負責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。命令接收子程序通過接收上位機傳輸?shù)拿钸M行系統(tǒng)自檢、參數(shù)修正等等。上位機的命令發(fā)送采用間隔10ms反復(fù)發(fā)送的方式，直到單片機將接收到的命令返回為止。如在1s內(nèi)單片機沒有響應(yīng)，則設(shè)置超時，系統(tǒng)復(fù)位單片機。
3.2 上位機軟件編程
單片機與上位機的通訊采用Visual C++6.0編寫，程序在Windows XP下編譯通過。
3.2.1串行通訊的實現(xiàn)
目前串行通訊主要有兩種實現(xiàn)方法：一種是利用Windows AP
本文采用MSComm控件，它間接調(diào)用Windows API函數(shù)，使編程人員在程序設(shè)計的時候不必再考慮復(fù)雜的系統(tǒng)函數(shù)，使編程工作變得簡便，同時又能滿足實際情況的工控要求。
實現(xiàn)測量系統(tǒng)與PC機的通訊，首先在程序里嵌入MSComm控件，并設(shè)置通訊參數(shù)，這里設(shè)置波特率為2400bps，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，接收數(shù)據(jù)時采用事件驅(qū)動方式，響應(yīng)Oncomm事件，當(dāng)接收緩沖區(qū)中接收到的字符數(shù)超過一定值產(chǎn)生緩沖區(qū)有字符事件。然后用GetInput（）讀取緩沖區(qū)，用SetInputMode（1）設(shè)置輸入數(shù)據(jù)類型為以二進制方式取回數(shù)據(jù)。這樣可以接收ASCII字符‘0’。
3.2.2 傾角的計算
由上位機取得數(shù)據(jù)后，按下面的修正公式計算：
4.結(jié)束語
本測量系統(tǒng)研制成功后，已經(jīng)過了三個月的海試，工作穩(wěn)定，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，取得了較好的效果。采用加速度計式的傾斜傳感器與傳統(tǒng)觸點電位器式的傾斜傳感器相比，有著無可比擬的優(yōu)點。如加速度計式的傾斜傳感器工作壽命長、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。
參考文獻
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