魏 秀，韋宏利，劉艷杰，郭嘉豪

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對于儀器的監(jiān)測以及控制提出了全新以及更高的要求，同時，對于檢測的傳感器精度也隨之增高了要求，但由于傳統(tǒng)的測量方法精度較低，更沒有實(shí)現(xiàn)智能化，因此在檢測儀器中注入單片機(jī)技術(shù)，這樣不僅使得檢測儀器具有智能化而且檢測精度也大大提高了。該系統(tǒng)是以雙軸傾角傳感器SCA100T-D01和STM32F103為控制元件設(shè)計(jì)的一款測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持多種輸出接口。同時，由于電路元件在溫度和時間上存在著一定程度的漂移，從而影響了傾角傳感器的準(zhǔn)確性。因此，為了保證工程項(xiàng)目的合格性、產(chǎn)品的可靠性以及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,有必要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定處理，以期獲得滿意的效果[1-3]。

1 測量原理

傾角傳感器一般用來進(jìn)行系統(tǒng)的水平測量，其理論基礎(chǔ)是牛頓第二定律[4]。到目前為止，已經(jīng)有了單軸與雙軸角度傳感器，一些場景下還需要測量三個軸向的信息量，因此，三軸傳感器也隨之出現(xiàn)了,它們的測量范圍也有所不同。從工作原理上將其劃為分固體擺式傳感器、液體擺式傳感器以及氣體擺式傳感器等三大類[5]；該系統(tǒng)采用的傾角傳感器SCA100T-D01是由芬蘭 VTI 生產(chǎn)的雙軸傾角傳感器的系列產(chǎn)品，它屬于固擺式傾角傳感器，該種類型的傳感器主要是把測量到的靜態(tài)重力加速度的變化量轉(zhuǎn)換為傾角信息量的變化，如下圖1所示為固體擺式的示意圖，它是由擺錘、擺線和支架組成的。

圖1 固體擺式原理示意圖

擺錘受重力G和擺拉力T的作用，根據(jù)平行四邊形法則，其合外力F為：

F=Gsinθ=mgsinθ

(1)

其中：擺線與垂直方向的夾角為θ，在角度范圍較小的測量中，可以認(rèn)為F與θ呈線性關(guān)系。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)包含電源電路，角度測量電路、主控電路、A/D模塊電路、數(shù)據(jù)采集與輸出電路。整個設(shè)計(jì)以傳感器為前端測量元件，輸出的信號通過A/D模塊和微處理器處理模塊進(jìn)行處理并輸出。

系統(tǒng)采用寬電源供電(12～24 V)，經(jīng)電源變換后分為兩路，一路是由精密穩(wěn)壓芯片REF195輸出高穩(wěn)定的5 V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 LM2594經(jīng)過穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換后，輸出的3.3 V電源,為單片機(jī)系統(tǒng)提供工作電源。

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了工業(yè)上常用的兩種輸出接口電路，方便用戶選擇其一進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控STM32F103模塊

該系統(tǒng)的處理器采用的是ARM公司生產(chǎn)的32位的 Cortext M3內(nèi)核的STM32F103C8T6微處理器，該款處理器具有2.0～3.6 V的寬電壓供電范圍，還具有容量為64 KB的FLash 存儲器和容量為20 KB的SRAM 存儲器，與此同時，該款處理器具有豐富的接口資源(定時器、DMA 控制器、SPI、IIC、USB等接口)以及中斷系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，處理速度快，因此，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定并高效的運(yùn)行[6-7]。

其原理圖如圖3所示。

圖3 STM32F103原理圖

3.2 SCA100T-D0模塊

系統(tǒng)采用的加速度計(jì)是由芬蘭 VTI 公司開發(fā)的一種基于3D-MEMS 技術(shù)的雙軸加速度計(jì)SCA100T-D01，其實(shí)物圖如下圖4所示，加計(jì)電路原理圖如下圖5所示。

圖4 SCA100T-D01傾角傳感器實(shí)物圖

圖5 加計(jì)電路原理圖

加計(jì)所需電壓為直流5 V電壓，其工作電流約為4 mA，片內(nèi)集成了11位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間150 μs,溫度的工作范圍為-40 ℃～+125 ℃ ,其內(nèi)部含有的溫度傳感器可以對溫度進(jìn)行補(bǔ)償[8-10]，輸出的X0與Y0分別與A/D轉(zhuǎn)換模塊的11和12引腳通過100R的電阻相連，系統(tǒng)所用的SCA100T-D01的靈敏度為4 V/g,它的輸出電壓值與角度值之間有如下的關(guān)系式：

(2)

其中：Dout為傳感器的數(shù)字量輸出；Sens為傳感器的靈敏度。

3.3 電源模塊

由于該系統(tǒng)支持寬的供電電壓范圍，當(dāng)外電源提供12 V的供電電壓時，LM2594通過穩(wěn)壓電路1117-5 V與1117-3.3 V轉(zhuǎn)換后，為微處理器MCU供電；采用精密電源 REF195 為傳感器供電，與此同時，對于電源設(shè)計(jì)需要加入過壓保護(hù)以及反向保護(hù)。

REF195部分電路原理圖如下圖6所示。

圖6 REF195原理圖

3.4 A/D模塊

考慮到角度輸出范圍以及精度的要求，A/D 轉(zhuǎn)換芯片選擇 24 位的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片AD7190，采用TSSOP24進(jìn)行封裝并支持兩路差分輸入或四路偽差分的輸入，ADC的信號時鐘源是片內(nèi)的4.92 MHz的時鐘信號產(chǎn)生的，其引腳圖如下圖7所示。

圖7 AD7190引腳圖

3.5 RS485模塊

該模塊選用的芯片為MAX3483，所需電源為3.3 V，MAX3483原理圖如下圖8所示。

圖8 MAX3483原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)使用 Keil uVision5軟件進(jìn)行編程，主要包括控制部分、初始化部分、信號收集部分與轉(zhuǎn)換部分以及通信部分。

(1)控制部分主要對SCA100T進(jìn)行控制；

(2)系統(tǒng)初始化部分就是在系統(tǒng)運(yùn)行之前進(jìn)行檢查，排除一切可能影響到正常工作的因素，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位；

(3)信號收集及轉(zhuǎn)化部分是讀取雙軸測量數(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、接收串口命令,輸出測量數(shù)據(jù)；

(4)通信部分，其通信傳輸幀結(jié)構(gòu)定義如表1所示。

表1 幀結(jié)構(gòu)定義(單位：字節(jié))

表1中：

報文長度：含報文頭和校驗(yàn)位；

通訊地址2個字節(jié)，第1個字節(jié)為傳感器類型(雙軸傾角傳感器為：0x02)，第2個為傳感器地址字節(jié)；

幀類型：0x01為設(shè)備到傳感器，0x02為傳感器到設(shè)備；

報文類型：0x01為設(shè)置地址，0x02為查詢地址，0x03為設(shè)置工作方式，0x04為查詢工作方式，0x05讀取即時數(shù)據(jù)；

報文內(nèi)容：長度不定；

校驗(yàn)位：累加和校驗(yàn)。

系統(tǒng)軟件流程圖如下圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

A/D子模塊流程圖如下圖10所示。

圖10 A/D子模塊流程圖

5 傳感器的標(biāo)定

系統(tǒng)中，采用手動的方式對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定方法是將傾角傳感器裝配好，并放到水平分度校準(zhǔn)臺上，注意安裝時一定要與水平面相切，不能有傾斜，否則會有偏差影響校準(zhǔn)值，該方法是通過串口發(fā)送串口命令來進(jìn)行操作的，為了得到較好的校準(zhǔn)值，可以進(jìn)行多次重復(fù)；同時，在標(biāo)定的過程中要考慮雙軸傳感器兩個軸之間存在的交叉耦合的影響。

由于自身的測量精度是沒法改變的，因此，就需要將其他外部影響因素，如焊接誤差、安裝誤差、以及標(biāo)定過程中產(chǎn)生的這些誤差降低到較小值，以保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)性。在系統(tǒng)中，將-30°～+30°的角度范圍內(nèi)，通過采用不同的角度步長對X軸和Y軸的有限個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定測驗(yàn)，所得的X軸和Y軸的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 標(biāo)定結(jié)果數(shù)據(jù)(單位：°)

由表2可知，測量精度滿足±2%范圍內(nèi)，將實(shí)測角度值與給定角度值之間的關(guān)系繪制成曲線圖，如下圖11和圖12所示。

圖11 X軸對應(yīng)曲線圖

圖12 Y軸對應(yīng)曲線圖

6 結(jié)論

論文采用了 SCA100T-D01型加速度計(jì)，選用了24 位的A/D 轉(zhuǎn)換器 AD7190 進(jìn)行采樣輸出，通過STM32F103微處理器實(shí)現(xiàn)傾角傳感器的角度換算，,通過標(biāo)定可得數(shù)據(jù)精度小于±2%，滿足精度設(shè)計(jì)要求。