三轴倾角传感器系统硬件设计详解

发布者:CelestialSoul最新更新时间:2024-02-21 来源: elecfans关键字:系统硬件  C8051F 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  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 和C8051F 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,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输出的3.3v 电源,为单片机系统提供工作电源。

  三轴倾角传感器系统硬件设计详解

  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 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 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。


  Dout 为传感器的数字量输出;Sens 是传感器的灵敏度,根据测量范围不同,分别为819(4V/g)或 1638(2V/g)。单片机通过SPI 口读取SCA100t 内的两路传感器的A/D 转换结果,在单片机机内进行处理后,通过串行口输出。同时利用SPI 接口读出内部温度传感器,进行测量值的温度补偿。


  提高精度措施

  SCA100t 非常敏感,电源的波动或是器件的振动对输出值的精度都有很大的影响;温度对输出值也有一定的影响;在焊接时可能焊接面不平,安装在机壳内或嵌入在其它系统 中时也可能与基准面存在一定的角度,这些都会造成测量值的零点偏差。经过实验和分析,主要通过以下方法来提高它的稳定性和可靠性:

  供电电路设计

  供电电压不稳定可直接造成输出的比例误差,最大值可达到2%。如果电源过载则使传感器供电不足而造成输出波动。系统加了电源输入保护电路,防止电源输入过 载。采用高精度电压源REF195 单独给传感器供电,有效地减小电源的波动对输出的影响。在电路板设计时,传感器的电源和地之间加上10nF 的滤波电容,在模拟输出端加上10uF 滤波电容,也可以减小了纹波,从而减小了输出误差;工作在嵌入系统中时,给这一部分电路加上铁壳进行电磁屏蔽,减小其它工作电路或周围环境对它的影响。在单片机片内RAM 中设定一个数组,用来存贮解算后的角度值。利用堆栈的原理将数组中新的测量值更新,对数据的数据进行加权求和平均后输出。这样可以减小输出波动,但输出有一定的滞后,通过实验最终选用5 个数据处理满足了系统的设计要求。传感器的输出值同样受到温度的影响。它的内部带有温度传感器,在大多数情况下不需要进行温度补偿。当传感器工作在极限温度附近时,可由MCU 根据其内温进行补偿。温度的实际值由下式算出:

  SCA100t 还带有模拟量输出,其精度要比SPI 输出的11BitAD 转换结果高。可以用12Bit或16Bit 的AD 芯片或带有更高精度AD 单片机(如C80051F060)的进行测量得到电压后,再进行计算得到更高的测量精度。传感器在焊接或安装时,不可避免的会有一些倾斜角度,从而造成零点误差。传感器在安装固定好后,在三维转台上进行标定,测出它两个方向的零点误差值,作为一个常数值存入Flash 芯片中。MCU 把得到的测量值减去零点误差再输出,基本消除了零点误差引起的测量误差。经过多次实验改进后,数字倾角传感器工作可靠、稳定,测量精度高,便于嵌入到其它的测量系统中,已经在无人机姿态测量等多个项目中得到了应用。


关键字:系统硬件  C8051F 引用地址:三轴倾角传感器系统硬件设计详解

上一篇:cc2530是什么_cc2530能做什么
下一篇:LKT4103多接口加密芯片特性介绍

推荐阅读最新更新时间:2024-11-11 15:44

基于C8051F410的am2305温湿度传感器的驱动编写
这个和那个DHT11差不多,精度稍高一点,价格相差十倍呢。程序很有改进,中间如果连线出问题则会自动恢复。 直接上程序吧。 #include C8051F410.h // SFR declarations #include stdio.h #define SYSCLK 24500000 // SYSCLK frequency in Hz #define BAUDRATE 9600 // Baud rate of UART in bps #define WAIT 50000 sbit led1 = P2^1; sbit led2 = P2^3; sbit dht_dat
[单片机]
基于MSP430F149和GPS+GPRS模块实现追踪器系统的软硬件设计
1、引言 随着GPRS无线通讯、Internet网络以及民用领域GPS的普遍应用,将三者合一使用已成为当今热门的研究领域。 GPRS(GeneralPackedRadioService,通用分组无线业务)采用TCP/IP协议,非常容易和现有的Internet技术及应用平台整合,即将各种IP技术和服务同移动通信技术相结合,为用户提供各种高速度、高质量的移动数据通信业务。GPRS的移动通信、价格低廉、快速登陆、永远在线、组网灵活、信道保障、小功率防雷击等特点使得GPRS已逐渐取代GSM网络。 GPS(GlobalPositioningSystem,全球定位系统)除了更多地应用于高精尖端测量、测绘及导航领域外,也更多地推动了其在
[单片机]
基于MSP430F149和GPS+GPRS模块实现追踪器<font color='red'>系统</font>的软<font color='red'>硬件</font>设计
基于单片机C8051F410的精确信号模拟电路设计
  引言   在对某型发射装置进行检测时.需要提供三组以11.50伏为基准的精确直流电压信号。为配合测试流程,这三组信号需要在不同的时段取18个不同的直流电压值,幅度分布在9.33-12.13伏范围之内。原有的测试仪采用22个精密电阻组成的分压器,配合波段开关选择来产生这18种不同的精确直流电压信号。这种设计方法价格昂贵,并且不能实现自动化检测,需要通过手工拨动波段开关来实现测试步骤的转换。为了实现对发射装置的自动测试。采用微机技术设计了新型的检测仪。新的检查仪以CPU模块为核心,通过程序控制D/A转换器来产生这三组精确直流电压信号,简化了设计,降低了成本,实现了测试步骤的自动切换。但是在检测仪的使用过程中发现经常出现重测合格
[单片机]
基于单片机<font color='red'>C8051F</font>410的精确信号模拟电路设计
基于ARM嵌入式最小系统的软硬件架构的改进研究
1. 引言 随着嵌入式相关技术的迅速发展,嵌入式系统的功能越来越强大,应用接口更加丰富,根据实际应用的需要设计出特定的嵌入式最小系统和应用系统,是嵌入式系统设计的关键。目前在嵌入式系统开发的过程中,开发者往往把大量精力投入到嵌入式微处理器MPU(Micro Processing Unit)与众多外设的连接方式以及应用代码的开发之中,而忽视了对嵌入式系统最基本、最核心部分的研究。 当前在嵌入式领域中,ARM(Advanced RISC Machines)处理器被广泛应用于各种嵌入式设备中。由于ARM嵌入式体系结构类似并且具有通用的外围电路,同时ARM内核的嵌入式最小系统的设计原则及方法基本相同,这使得对嵌入式最小系统的研究在
[单片机]
基于ARM嵌入式最小<font color='red'>系统</font>的软<font color='red'>硬件</font>架构的改进研究
单片机C8051FC40/FM20L08扩展电路图
单片机控制FRAM的原理图。在本系统中采用的是地址信号复用模式,这样可以产生ALE 信号。FM20LO8自身带有锁存器,并且片选信号CE不能像SRAM一样直接接地,需要一个预充电时间,这个信号有HC04和HC32产生。而且地址信号需要在他的下降沿进行锁存,具体扩展如图所示。
[单片机]
单片机<font color='red'>C8051F</font>C40/FM20L08扩展电路图
使用NI LabVIEW和NI硬件开发G.R.A.S.麦克风校准系统
  The Challenge:   开发一个全自动化、可追踪的 麦克风 校准 系统,并具有足够的可靠性用于内部生产和外部 校准 实验室。   The Solution:   使用NI Labview 图形化编程环境实现自动模拟测量、输出到静电致动器、开关盒的数字控制,以及活塞音频发生器的RS232通信,从而完成 麦克风 校准 系统的编程。   Author(s):   Ed Terrel - GRAS Sound & Vibration   G.R.A.S. Sound & Vibration公司设计及生产非常广泛的产品,几乎覆盖了用于音频信号的可靠测试与记录所需要的所有前端设备。 校准 麦克风 既复杂又耗时,而且测
[测试测量]
使用NI LabVIEW和NI<font color='red'>硬件</font>开发G.R.A.S.麦克风校准<font color='red'>系统</font>
基于PXI的​发动​机​ECU​硬件​在​环​仿真​系统
针对两用燃料 发动机 ,利用虚拟仪器技术构建了基于 PXI 的发动机 ECU 硬件在环仿真系统,系统相对误差小于3.9 %;快速构建虚拟发动机ECU,实现基于Simulink模型在CRIO上的运行,并进行了系统误差分析。 - 吴 伟斌, 华南理工大学 挑战: ECU快速模型构建及硬件在环仿真的研究对国内自主品牌车及新能源汽车研究具有重大意义。 解决方案: 将Simulink与LabVIEW结合,发挥前者算法易实现的优势和后者强大编程功能,大大缩短ECU开发周期;基于CRIO和PXI的ECU快速原型和在环仿真降低设计和试验成本。 介绍 以某品牌两用燃料四缸汽油机电控系统为研究对象,用Simulink构建了以平均值模型为
[汽车电子]
基于PXI的​发动​机​ECU​<font color='red'>硬件</font>​在​环​仿真​<font color='red'>系统</font>
采用C8051F020的RS485串行通信电路设计
  随着计算机技术和测控技术的不断发展,在以单片机为核心的数据采集系统中,需要实现单片机和计算机之间的数据交换,并以此来发挥单片机和计算机各自的长处,提升整个系统的性能价格比。在计算机网络和 工业控制 系统中,经常需要采用串行通信来实现远程数据传输。 目前,有多种接口标准可用于串行通信,包括RS232、RS422、RS485等。RS232是最早的串行接口标准,在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。但是,RS232 通信存在着传输速度慢、传输距离短、信号容易受到干扰等不足,其应用局限性已日益突出。而RS485 通信采用差分方式来消除噪声,即信号在发送前会分解为正负2 条线路,当到达接收端时将信号相减,使噪声相互抵消,还原成
[单片机]
采用<font color='red'>C8051F</font>020的RS485串行通信电路设计
小广播
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
  • 学习ARM开发(16)
    ARM有很多东西要学习,那么中断,就肯定是需要学习的东西。自从CPU引入中断以来,才真正地进入多任务系统工作,并且大大提高了工作效率。采 ...
  • 学习ARM开发(17)
    因为嵌入式系统里全部要使用中断的,那么我的S3C44B0怎么样中断流程呢?那我就需要了解整个流程了。要深入了解,最好的方法,就是去写程序 ...
  • 学习ARM开发(18)
    上一次已经了解ARM的中断处理过程,并且可以设置中断函数,那么它这样就可以工作了吗?答案是否定的。因为S3C44B0还有好几个寄存器是控制中 ...
  • 嵌入式系统调试仿真工具
    嵌入式硬件系统设计出来后就要进行调试,不管是硬件调试还是软件调试或者程序固化,都需要用到调试仿真工具。 随着处理器新品种、新 ...
  • 最近困扰在心中的一个小疑问终于解惑了~~
    最近在驱动方面一直在概念上不能很好的理解 有时候结合别人写的一点usb的例子能有点感觉,但是因为arm体系里面没有像单片机那样直接讲解引脚 ...
  • 学习ARM开发(1)
  • 学习ARM开发(2)
  • 学习ARM开发(4)
  • 学习ARM开发(6)
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件

 
EEWorld订阅号

 
EEWorld服务号

 
汽车开发圈

电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved