基于單片機的數字傾角檢測系統的設計

林建華

（北京信息科技大學理學院，北京 100101）

0 引言

隨著科技的發展，對角度測量技術的要求也越來越高。傳統的機械式和電磁式傾角傳感器的制作成本較低，但是其設備體積大、精度低、響應時間長、動態特性差，不適合用于對傳感器要求體積小、精度高、零點漂移小的領域的角度檢測。為此，需要研制一種便攜式的數字傾角傳感系統。本文利用基于MEMS 技術的傾角傳感器SCA103T 和MSC1214單片機組合，通過硬件電路設計和軟件補償的方法實現的傾角傳感器，并對它的主要性能進行測試。

1 傾角檢測原理

傾角傳感器SCA103T 是利用MEMS 工藝以單晶硅材料制造的高精度單軸傾角傳感器[1]，由三層硅片形成立體結構，當傾斜或者有加速度的時候，中間質量片會傾斜向某一側，從而兩側的電容發生改變。改傾角傳感器是基于重力加速度的原理制作的，因為重力加速度g的方向始終豎直向下，當重力加速度與水平面相互垂直時，可知重力加速度在水平方向上不存在分量，當重力加速度和水平面之間存在一定的夾角時，那么重力加速度在這個平面上就存在投影的分量。

如圖1所示，根據加速度感應軸上的重力加速度分量，可以通過計算轉換得到平面的傾角。傾角傳感器的輸出和重力加速度之間存在下列的關系：

傳感器角度至電壓的轉換采用以下的公式：

其中α為傾角，式中Vout為電壓差分輸出值，V0為傾角為0o時電壓差分輸出值，一般為0V，K為傳感器的靈敏度，由公式（2）可得

2 硬件電路的設計

該測角度檢測系統是以MEMS 傳感器SCA103T 作為前端角度測量器件，SCA103T 輸出通道輸出范圍為+0.25V～+4.75V的直流信號，經差動運算放大器得到輸出范圍為-5V～+5V的穩定信號，經過濾波處理后再輸入雙極性的A/D 轉換器。利用單片機對A/D 芯片轉換后的數字信號進行處理[2]。采用串口芯片實現單片機和計算機之間的通訊，通過軟件編程對處理器發出命令，進行數據采集、存儲、補償算法實現、輸入、輸出顯示等操作。角度檢測硬件系統的實現框圖如圖2所示。

圖1 傾角傳感器工作原理圖

圖2 硬件系統實現框圖

3 單片機軟件補償技術的實現

傳統的硬件補償方法調試比較困難，成本也比較高，因此采用軟件補償。單片機數字補償[3]是指利用單片機系統對傾角傳感器的敏感信號進行A/D 轉換后，利用數字系統進行實時處理，通過編寫數字處理算法，以實現數字化補償。由于制作傳感器的半導體材料對溫度往往比較敏感，會受到環境溫度、電源噪聲的影響而產生零點漂移。為了克服環境溫度的變化引起的零點漂移，需要對傳感器做溫度補償。首先測量出該傳感器在各個溫度點下所對應的零位輸出電壓。通過采樣把所得到的數據通過曲線擬合的方法得到零位輸出和溫度之間的函數關系式，計算出補償值，建立零位輸出—溫度參數表。在對傾角傳感器做線性度補償時，在光學分度頭上測量出傾角傳感器在各個角度下所對應的輸出電壓，通過最小二乘法對傳感器進行線性補償。在傾角傳感器工作時，通過編寫軟件算法定時地對輸出的溫度數據進行采樣，經過查表獲得相對應于該溫度點的零位輸出電壓的補償值來以達到傳感器的零位輸出—溫度的補償。然后講溫度補償后的輸出值，通過查表做相應角度下的線性度補償。把軟件補償后的輸出值通過單片機的D/A 轉換來得到輸出的模擬電壓，最后通過輸出調理電路得到用戶需要的輸出電壓值。

4 單片機的補償結果

利用軟件補償后后，傳感器的零位輸出和線性度得到較大的提高，對軟件補償前后的零位電壓和線性度分別做對比得到如圖3、圖4所示的曲線。

圖3 傳感器零位電壓補償前后對比

圖4 傳感器線性度補償前后

5 傳感器性能測試

傾角傳感器測試的主要儀器是光學分度頭，傳感器的常規電性能測試主要包括測量范圍、零位電壓、線性度、靈敏度、零點漂移，并按照傾角傳感器的測試方法進行測試。

5.1 測量范圍及零位電壓的測試

將傾角傳感器安裝于光學分度頭上，并調至水平位置，接通電源，在輸出端接上數字電壓表，1min 后，記錄滿量程時的輸出值，與設計值之差對應的電壓應在±100mv 內。再將分度頭調到水平位置，讀出此時的輸出即為零位電壓。

5.2 非線性與靈敏度測試

將傳感器安裝于光學分度頭上，并調至水平位置，接通電源，在輸出端接上數字電壓表，檢測零位輸出電壓，然后使傳感器傾斜一定角度傾角，分別為30°，20°，10°，5°，0°-5°，-10°，-20°，-30°，記錄輸出信號，利用校準數據求出最小二乘法就能得到非線性度和靈敏度。

5.3 零點漂移的測試

將傳感器置于已精確校平的分度頭上，接通電源，在輸出端接上數字電壓表，1min 后首次記錄傳感器的零位電壓輸出值Vout1，保持通電1小時后再次記錄傳感器零位電壓輸出值Vout2。計算|Vout2-Vout1|兩個零位電壓差值的絕對值應該滿足指標要求。

6 測試結果

表1 傳感器測試達到的性能指標

7 結論

（1）該水平傾角傳感器線性度好、輸出穩定，測量精度較高、零點漂移小。它可以作為一個單獨的數字輸出傳感器，也可以作為一個測量模塊嵌入到測量控制系統中，有較廣闊的應用前景。

（2）利用數字化的補償技術使傳感器的性能得到很大的提高。

[1]施云貴.基于SCA103T 實現的高精度傾角檢測系統設計[J].吉林化工學院學報，2008，25（3），68-69

[2]王旭，傲日格樂，陳紹英.減小傳感器放大器零點漂移的電路設計[J].呼倫貝爾學院學報，2010，18（5），87-89

[3]張偉，樸林華，林宇，張福學.氣體擺式水平傾角傳感器的結構及信號處理[J].電子元件與材料.2005，8.