基于傾角傳感器設(shè)計(jì)的帆船姿態(tài)儀

　　隨著2008年北京奧運(yùn)會(huì)的臨近，帆船運(yùn)動(dòng)越來(lái)越受到人們的重視，如何利用現(xiàn)代科技手段輔助訓(xùn)練，來(lái)提高比賽成績(jī)顯得尤為重要。從賽場(chǎng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)指導(dǎo)訓(xùn)練和減輕帆船教練工作強(qiáng)度方面考慮，設(shè)計(jì)帆船姿態(tài)儀，可使教練員了解每位運(yùn)動(dòng)員具體的訓(xùn)練細(xì)節(jié)，提高工作效率。

　　1 帆船姿態(tài)儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　基于PIC16F877A設(shè)計(jì)的帆船姿態(tài)儀，能采集帆船行駛過(guò)程中的前后仰俯角、左右搖擺角、桅桿旋轉(zhuǎn)角和GPS系統(tǒng)記錄帆船行駛軌跡。系統(tǒng)每0.5s將采集到的數(shù)據(jù)記錄1次，記錄時(shí)間大約為5 h(小時(shí))。上位機(jī)通過(guò)RS232接口，可將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀取上來(lái)。上位機(jī)可以形象地將帆船行駛軌跡、帆船前后仰俯角、左右搖擺角等數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　2 帆船姿態(tài)儀的硬件設(shè)計(jì)

　　PIC16F877A單片機(jī)作為處理器，通過(guò)采集傾角傳感器SCA60C檢測(cè)帆船的傾斜角度，然后將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到AT45D081A-RI大容量Flash存儲(chǔ)器中。其部分硬件電路如圖2所示。

　　DS1302時(shí)鐘芯片記錄測(cè)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，并在記錄時(shí)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定。其軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，時(shí)間記錄準(zhǔn)確，既避免了連續(xù)記錄的大工作量，又避免了定時(shí)記錄的盲目性。DS1302與CPU的連接僅需要3條線，即SCLK、I／O、RST。DS1302與單片機(jī)連接的電路原理如圖2所示。

　　采用雙電源供電方式，以便在沒(méi)有主電源的情況下仍能保存時(shí)間信息以及數(shù)據(jù)。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電，當(dāng)VCC2小于VCC1時(shí)，VCC1給DS1302供電。

　　AT45D081A-RI是Atmel公司生產(chǎn)的大容量Flash存儲(chǔ)器，容量為4 Mb。它采用串行方式傳送數(shù)據(jù)，單5V電源供電；具有功耗低、體積小、容量大、傳送快，與CMOS和TTL電平兼容以及掉電后數(shù)據(jù)不丟失等特點(diǎn)，因此，其硬件設(shè)計(jì)與軟件編程都很容易。

　　系統(tǒng)通過(guò)RS232C通信方式與上位機(jī)通信，將帆船在海中行進(jìn)的姿態(tài)傳送到上位機(jī)，最后由上位機(jī)軟件管理和顯示。

　　3 傾角傳感器的選取

　　系統(tǒng)采用上海朗尚科貿(mào)有限公司的SCA60C高精度傾角傳感器檢測(cè)帆船的傾斜角度，通過(guò)不同的安裝方式檢測(cè)帆船前后仰俯角和左右搖擺角。SCA60C實(shí)際上是一個(gè)加速度計(jì)，內(nèi)部由一個(gè)硅微傳感器和信號(hào)處理芯片組成；SMD形式封裝；通過(guò)測(cè)量地球引力在測(cè)量方向上的分量，再將其轉(zhuǎn)換為傾斜角度，其模擬輸出特性如圖3所示。箭頭標(biāo)明了加速度的正方向，如果帆船沿箭頭所指方向有加速度，或按圖3所示的方向傾斜，則輸出值增大。

　　其中，Offset是帆船在0 g位置時(shí)的電壓輸出(一般輸出值為2.5 V)，Sensitivity是設(shè)備的靈敏度(通常靈敏度為2 V／g)。為得到最好的精確度，應(yīng)當(dāng)用實(shí)際輸出值代替通常值。

　　4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　采用Delphi軟件設(shè)計(jì)帆船姿態(tài)儀的上位機(jī)，將帆船姿態(tài)儀采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口讀取上來(lái)，利用上位機(jī)軟件對(duì)讀取上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并以曲線的形式形象地顯示出來(lái)，教練員可以在上位機(jī)上了解運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的具體情況。軟件界面如圖4所示。

　　結(jié) 語(yǔ)

　　帆船姿態(tài)儀安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，技術(shù)先進(jìn)，功能豐富，維護(hù)方便，可幫助帆船運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行科學(xué)的訓(xùn)練，迎接2008年北京奧運(yùn)會(huì)。