基于单片机的数字倾角检测系统的设计

林建华

（北京信息科技大学理学院，北京 100101）

0 引言

随着科技的发展，对角度测量技术的要求也越来越高。传统的机械式和电磁式倾角传感器的制作成本较低，但是其设备体积大、精度低、响应时间长、动态特性差，不适合用于对传感器要求体积小、精度高、零点漂移小的领域的角度检测。为此，需要研制一种便携式的数字倾角传感系统。本文利用基于MEMS 技术的倾角传感器SCA103T 和MSC1214单片机组合，通过硬件电路设计和软件补偿的方法实现的倾角传感器，并对它的主要性能进行测试。

1 倾角检测原理

倾角传感器SCA103T 是利用MEMS 工艺以单晶硅材料制造的高精度单轴倾角传感器[1]，由三层硅片形成立体结构，当倾斜或者有加速度的时候，中间质量片会倾斜向某一侧，从而两侧的电容发生改变。改倾角传感器是基于重力加速度的原理制作的，因为重力加速度g的方向始终竖直向下，当重力加速度与水平面相互垂直时，可知重力加速度在水平方向上不存在分量，当重力加速度和水平面之间存在一定的夹角时，那么重力加速度在这个平面上就存在投影的分量。

如图1所示，根据加速度感应轴上的重力加速度分量，可以通过计算转换得到平面的倾角。倾角传感器的输出和重力加速度之间存在下列的关系：

传感器角度至电压的转换采用以下的公式：

其中α为倾角，式中Vout为电压差分输出值，V0为倾角为0o时电压差分输出值，一般为0V，K为传感器的灵敏度，由公式（2）可得

2 硬件电路的设计

该测角度检测系统是以MEMS 传感器SCA103T 作为前端角度测量器件，SCA103T 输出通道输出范围为+0.25V～+4.75V的直流信号，经差动运算放大器得到输出范围为-5V～+5V的稳定信号，经过滤波处理后再输入双极性的A/D 转换器。利用单片机对A/D 芯片转换后的数字信号进行处理[2]。采用串口芯片实现单片机和计算机之间的通讯，通过软件编程对处理器发出命令，进行数据采集、存储、补偿算法实现、输入、输出显示等操作。角度检测硬件系统的实现框图如图2所示。

图1 倾角传感器工作原理图

图2 硬件系统实现框图

3 单片机软件补偿技术的实现

传统的硬件补偿方法调试比较困难，成本也比较高，因此采用软件补偿。单片机数字补偿[3]是指利用单片机系统对倾角传感器的敏感信号进行A/D 转换后，利用数字系统进行实时处理，通过编写数字处理算法，以实现数字化补偿。由于制作传感器的半导体材料对温度往往比较敏感，会受到环境温度、电源噪声的影响而产生零点漂移。为了克服环境温度的变化引起的零点漂移，需要对传感器做温度补偿。首先测量出该传感器在各个温度点下所对应的零位输出电压。通过采样把所得到的数据通过曲线拟合的方法得到零位输出和温度之间的函数关系式，计算出补偿值，建立零位输出—温度参数表。在对倾角传感器做线性度补偿时，在光学分度头上测量出倾角传感器在各个角度下所对应的输出电压，通过最小二乘法对传感器进行线性补偿。在倾角传感器工作时，通过编写软件算法定时地对输出的温度数据进行采样，经过查表获得相对应于该温度点的零位输出电压的补偿值来以达到传感器的零位输出—温度的补偿。然后讲温度补偿后的输出值，通过查表做相应角度下的线性度补偿。把软件补偿后的输出值通过单片机的D/A 转换来得到输出的模拟电压，最后通过输出调理电路得到用户需要的输出电压值。

4 单片机的补偿结果

利用软件补偿后后，传感器的零位输出和线性度得到较大的提高，对软件补偿前后的零位电压和线性度分别做对比得到如图3、图4所示的曲线。

图3 传感器零位电压补偿前后对比

图4 传感器线性度补偿前后

5 传感器性能测试

倾角传感器测试的主要仪器是光学分度头，传感器的常规电性能测试主要包括测量范围、零位电压、线性度、灵敏度、零点漂移，并按照倾角传感器的测试方法进行测试。

5.1 测量范围及零位电压的测试

将倾角传感器安装于光学分度头上，并调至水平位置，接通电源，在输出端接上数字电压表，1min 后，记录满量程时的输出值，与设计值之差对应的电压应在±100mv 内。再将分度头调到水平位置，读出此时的输出即为零位电压。

5.2 非线性与灵敏度测试

将传感器安装于光学分度头上，并调至水平位置，接通电源，在输出端接上数字电压表，检测零位输出电压，然后使传感器倾斜一定角度倾角，分别为30°，20°，10°，5°，0°-5°，-10°，-20°，-30°，记录输出信号，利用校准数据求出最小二乘法就能得到非线性度和灵敏度。

5.3 零点漂移的测试

将传感器置于已精确校平的分度头上，接通电源，在输出端接上数字电压表，1min 后首次记录传感器的零位电压输出值Vout1，保持通电1小时后再次记录传感器零位电压输出值Vout2。计算|Vout2-Vout1|两个零位电压差值的绝对值应该满足指标要求。

6 测试结果

表1 传感器测试达到的性能指标

7 结论

（1）该水平倾角传感器线性度好、输出稳定，测量精度较高、零点漂移小。它可以作为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，有较广阔的应用前景。

（2）利用数字化的补偿技术使传感器的性能得到很大的提高。

[1]施云贵.基于SCA103T 实现的高精度倾角检测系统设计[J].吉林化工学院学报，2008，25（3），68-69

[2]王旭，傲日格乐，陈绍英.减小传感器放大器零点漂移的电路设计[J].呼伦贝尔学院学报，2010，18（5），87-89

[3]张伟，朴林华，林宇，张福学.气体摆式水平倾角传感器的结构及信号处理[J].电子元件与材料.2005，8.