基于SCA100T的傾角測量系統(tǒng)設計

摘要：針對控制系統(tǒng)中傾角測量問題，以SCA100T高精度雙軸傾角傳感器為基礎，采用ATmega8作為控制器，設計了一款靈敏度高、可擴展性強的傾角測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以采用LCD顯示器和串口超級終端預設信息，也支持軟件編程的方式來讀取和配置信息。該設計在塔式起重機上的應用取得了良好的效果。
關鍵詞：傾角測量；SCA100T；ATmega8

引言
目前，業(yè)內(nèi)對傾角的測量多是基于MEMS的加速度傳感器，SCA100T是由芬蘭VTI公司推出，采用三維MEMS技術開發(fā)的一款高精度雙軸傾角傳感器，可同時測量相對于水平面的傾斜和俯仰角度，具有溫度補償功能。本文以塔式起重機為應用背景，采用SCA100T傾角傳感器實時采集傾斜信息，檢測塔式起重機支撐架的平衡性能，避免由于其過度傾斜而引發(fā)事故。以SCA100T為基礎設計了一款小巧、靈敏度高的傾角測量系統(tǒng)，分析了SCA100T傾角傳感器測角的原理，給出了系統(tǒng)各個模塊的軟硬件設計方法，同時提供了兩種具有可擴展性的應用方法。

1 整體設計
圖1所示為本系統(tǒng)的整體結構框圖。該系統(tǒng)采用ATmega8單片機控制SCA100T傾角傳感器實時檢測平臺的傾角變化，將傳感器輸出的數(shù)字量進行換算后，轉換為實際的傾角值。用戶可以根據(jù)需要設置警界傾角值和預定平臺水平位置，傾角信息可通過LCD實時顯示或通過串口輸出到上層控制器中。當傾角信息超過預置的警界傾角值時，系統(tǒng)開始報警，表現(xiàn)為蜂鳴器報警和LED燈閃爍。

系統(tǒng)根據(jù)輸出方式的不同分為兩種應用方式：一種是作為獨立系統(tǒng)使用，固定在待測平臺上；另一種是將該系統(tǒng)作為一個傾角采集模塊，掛接在其他電路中使用。前者采用LCD1602實時顯示傾角信息，采用串口超級終端預設傾角警界值和水平位置；后者通過串口輸出傾角信息，允許軟件編程通過發(fā)送串口命令進行配置。配置信息均保存在ATmega8單片機內(nèi)部的EEPROM中。

2 傾角測量原理
本文選用的SCA100T的測量范圍為±30°，其內(nèi)部包含硅電容感應元件、EEPROM存儲器、信號調(diào)理電路、A／D轉換器、溫度傳感器和SPI傳輸接口等，SCA100T功能框圖如圖2所示。該傳感器具有X、Y兩個通道，分別用來測量傾斜和俯仰的加速度，每個通道具有自測試系統(tǒng)，可內(nèi)部產(chǎn)生一個靜電力來校驗全部的信號通道。信號輸出有SPI數(shù)字信號輸出和模擬電壓信號輸出兩種方式，同時可輸出溫度信息進行溫度補償。

SCA100T的測角原理為：通過測量靜態(tài)重力加速度的變化，將其轉換成傾角變化。SCA100T的硅電容感應元件由3層硅片構成，形成立體結構，當發(fā)生傾斜時，中間質(zhì)量片會傾向某一側，從而使兩側的電容發(fā)生變化。通過電壓值可反映相應的加速度值，進而可計算角度值。圖3所示分別為X軸與Y軸的傾角變化情況(X／Y是從傾斜方向來劃分的)，以X軸為例，其加速度值與重力加速度之間的關系為：
Ax=g·sina→α=arcsin(Ax／g)
其中，Ax表示X軸測出的加速度值，g表示重力加速度值，α為X軸傾角。