基于单片机的倾角测量系统设计
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:700
中国机电企业网
1.引言
海洋环境监测仪器是测量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿态直接影响到测量参数的精度。通过对仪器姿态的精确测量，可在一定倾角范围内对流速、流向等水文测量要素进行倾斜补偿。本文主要通过倾角传感器的选型、a/d转换及其测量控制电路的设计、与上位机的通讯等几部分，详细介绍了一种倾角测量系统的设计方案。已成功地在国家“十五”863计划“水下流浪潮综合测量技术”课题中得到应用。
2.倾角测量系统的硬件设计
图1是系统硬件组成的框图。如图所示，整个系统由sca100t倾角传感器、一阶低通滤波器、ads1211ad转换器、单片机、上位机等几部分组成。下面简单对硬件的各个组成部分进行介绍：
图1硬件设计框图
2.1单片机的选择
单片微型计算机简称单片机。它是把组成计算机的各种功能部件：中央处理器cpu、ram、rom、i/o接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机是整个系统的核心，在本文的应用中主要用于数据采集和传输，选用的是atmel公司的at89s52。
2.2ad转换器
ads1211是高精度、宽动态特性的δ－σ型模拟／数字转换器。它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的δ－σ结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器，可以在转换速度为10hz时获得20位的有效精度；借助于其内部独特的调制器加速操作模式，在转换速度为1khz时仍可达到16位的有效精度。
基金项目：国家高技术研究发展（863）计划—资源环境技术领域海洋监测技术主题：水下流浪潮综合测量技术（课题号：2002aa632060）
ads1211有主动和从动两种工作方式，在本应用中ads1211与单片机的连接采用四线
制从动方式（如图2），即ads1211的sdout、sdio、sclk、drdy分别与单片机的p1.4、p1.5、p1.6、p1.7口连接。采样数据通过sdout传输到单片机，单片机通过查询drdy接收数据。单片机通过sdio向ads1211发送命令。sclk引脚上的串行通波特率由软件编程实现。
图2倾角测量系统电路原理图
2.3倾角传感器
倾角传感器采用vtitechnologies公司的sca100t系列。sca100t是采用微电子机电技术（emes）制造的一款双轴加速度传感器，sca100t单轴的最大输出范围约为±40度，有效输出范围为±30度。在采样频率为8hz及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。
加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。
图3给出水平放置示意图：
图3水平放置方法
水平放置在±60度的范围内有很好的分辨率，当大于±60度时，传感器将变得不灵敏（此时arcsin函数逐渐接近水平位置），当倾角接近90度时则无法测量。水平放置时应用如下的公式计算倾角：
可求得为38.7度。考虑到仪器的倾斜不应该大于±30度（如果大于±30度只能重新安装），所以传感器安装时采用此种水平放置方法。
同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的miso、mosi、sck、csb与单片机的p1.1、p1.2、p1.3、p1.4相连。miso用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据，mosi与单片机的p1.2引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过p1.3向sck提供串口通讯脉冲。csb为片选信号引脚。另外，sca100t内部带有温度传感器，可对温度误差补偿，在商业温度范围内可不考虑温度的影响。
2.4一阶低通滤波器
由于sca100t系列内置一个11位的a/d转换器，会产生周期为50-70微秒持续时间大约1微秒的毛刺，这个毛刺被叠加到模拟信号输出端。在低速转换时影响不大，但在进行高速转换时可能引起测量错误。因此需要在模拟信号的输出端加上一个一阶低通滤波器，可有效滤除毛刺的影响。
2.5电源部分
为了减少模拟信号噪声，采用maxim公司的低噪声高稳定性max6325电源芯片给ads1211提供参考电源，使用max6350芯片给ads1211提供模拟电源，同时也给传感器提供电源。
3.软件设计
软件分为下位机软件和上位机软件两部分。
3.1单片机软件编程
对于51系列单片机，目前有汇编、pl/m、c和basic四种语言支持。本文下位机软件采用keilc51程序编写。主要由主程序、读ads1211子程序、读sca100t子程序、串口发送子程序和命令接收子程序等部分组成。图1.4为程序流程图：
图4单片机程序流程图
如图所示，整个程序采用顺序结构。为了加快系统的响应速度和提高计算精度，运算由上
海洋环境监测仪器是测量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿态直接影响到测量参数的精度。通过对仪器姿态的精确测量，可在一定倾角范围内对流速、流向等水文测量要素进行倾斜补偿。本文主要通过倾角传感器的选型、a/d转换及其测量控制电路的设计、与上位机的通讯等几部分，详细介绍了一种倾角测量系统的设计方案。已成功地在国家“十五”863计划“水下流浪潮综合测量技术”课题中得到应用。
2.倾角测量系统的硬件设计
图1是系统硬件组成的框图。如图所示，整个系统由sca100t倾角传感器、一阶低通滤波器、ads1211ad转换器、单片机、上位机等几部分组成。下面简单对硬件的各个组成部分进行介绍：
图1硬件设计框图
2.1单片机的选择
单片微型计算机简称单片机。它是把组成计算机的各种功能部件：中央处理器cpu、ram、rom、i/o接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机是整个系统的核心，在本文的应用中主要用于数据采集和传输，选用的是atmel公司的at89s52。
2.2ad转换器
ads1211是高精度、宽动态特性的δ－σ型模拟／数字转换器。它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的δ－σ结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器，可以在转换速度为10hz时获得20位的有效精度；借助于其内部独特的调制器加速操作模式，在转换速度为1khz时仍可达到16位的有效精度。
基金项目：国家高技术研究发展（863）计划—资源环境技术领域海洋监测技术主题：水下流浪潮综合测量技术（课题号：2002aa632060）
ads1211有主动和从动两种工作方式，在本应用中ads1211与单片机的连接采用四线
制从动方式（如图2），即ads1211的sdout、sdio、sclk、drdy分别与单片机的p1.4、p1.5、p1.6、p1.7口连接。采样数据通过sdout传输到单片机，单片机通过查询drdy接收数据。单片机通过sdio向ads1211发送命令。sclk引脚上的串行通波特率由软件编程实现。
图2倾角测量系统电路原理图
2.3倾角传感器
倾角传感器采用vtitechnologies公司的sca100t系列。sca100t是采用微电子机电技术（emes）制造的一款双轴加速度传感器，sca100t单轴的最大输出范围约为±40度，有效输出范围为±30度。在采样频率为8hz及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。
加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。
图3给出水平放置示意图：
图3水平放置方法
水平放置在±60度的范围内有很好的分辨率，当大于±60度时，传感器将变得不灵敏（此时arcsin函数逐渐接近水平位置），当倾角接近90度时则无法测量。水平放置时应用如下的公式计算倾角：
可求得为38.7度。考虑到仪器的倾斜不应该大于±30度（如果大于±30度只能重新安装），所以传感器安装时采用此种水平放置方法。
同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的miso、mosi、sck、csb与单片机的p1.1、p1.2、p1.3、p1.4相连。miso用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据，mosi与单片机的p1.2引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过p1.3向sck提供串口通讯脉冲。csb为片选信号引脚。另外，sca100t内部带有温度传感器，可对温度误差补偿，在商业温度范围内可不考虑温度的影响。
2.4一阶低通滤波器
由于sca100t系列内置一个11位的a/d转换器，会产生周期为50-70微秒持续时间大约1微秒的毛刺，这个毛刺被叠加到模拟信号输出端。在低速转换时影响不大，但在进行高速转换时可能引起测量错误。因此需要在模拟信号的输出端加上一个一阶低通滤波器，可有效滤除毛刺的影响。
2.5电源部分
为了减少模拟信号噪声，采用maxim公司的低噪声高稳定性max6325电源芯片给ads1211提供参考电源，使用max6350芯片给ads1211提供模拟电源，同时也给传感器提供电源。
3.软件设计
软件分为下位机软件和上位机软件两部分。
3.1单片机软件编程
对于51系列单片机，目前有汇编、pl/m、c和basic四种语言支持。本文下位机软件采用keilc51程序编写。主要由主程序、读ads1211子程序、读sca100t子程序、串口发送子程序和命令接收子程序等部分组成。图1.4为程序流程图：
图4单片机程序流程图
如图所示，整个程序采用顺序结构。为了加快系统的响应速度和提高计算精度，运算由上
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1.引言
海洋环境监测仪器是测量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿态直接影响到测量参数的精度。通过对仪器姿态的精确测量，可在一定倾角范围内对流速、流向等水文测量要素进行倾斜补偿。本文主要通过倾角传感器的选型、a/d转换及其测量控制电路的设计、与上位机的通讯等几部分，详细介绍了一种倾角测量系统的设计方案。已成功地在国家“十五”863计划“水下流浪潮综合测量技术”课题中得到应用。
2.倾角测量系统的硬件设计
图1是系统硬件组成的框图。如图所示，整个系统由sca100t倾角传感器、一阶低通滤波器、ads1211ad转换器、单片机、上位机等几部分组成。下面简单对硬件的各个组成部分进行介绍：
图1硬件设计框图
2.1单片机的选择
单片微型计算机简称单片机。它是把组成计算机的各种功能部件：中央处理器cpu、ram、rom、i/o接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机是整个系统的核心，在本文的应用中主要用于数据采集和传输，选用的是atmel公司的at89s52。
2.2ad转换器
ads1211是高精度、宽动态特性的δ－σ型模拟／数字转换器。它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的δ－σ结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器，可以在转换速度为10hz时获得20位的有效精度；借助于其内部独特的调制器加速操作模式，在转换速度为1khz时仍可达到16位的有效精度。
基金项目：国家高技术研究发展（863）计划—资源环境技术领域海洋监测技术主题：水下流浪潮综合测量技术（课题号：2002aa632060）
ads1211有主动和从动两种工作方式，在本应用中ads1211与单片机的连接采用四线
制从动方式（如图2），即ads1211的sdout、sdio、sclk、drdy分别与单片机的p1.4、p1.5、p1.6、p1.7口连接。采样数据通过sdout传输到单片机，单片机通过查询drdy接收数据。单片机通过sdio向ads1211发送命令。sclk引脚上的串行通波特率由软件编程实现。
图2倾角测量系统电路原理图
2.3倾角传感器
倾角传感器采用vtitechnologies公司的sca100t系列。sca100t是采用微电子机电技术（emes）制造的一款双轴加速度传感器，sca100t单轴的最大输出范围约为±40度，有效输出范围为±30度。在采样频率为8hz及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。
加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。
图3给出水平放置示意图：
图3水平放置方法
水平放置在±60度的范围内有很好的分辨率，当大于±60度时，传感器将变得不灵敏（此时arcsin函数逐渐接近水平位置），当倾角接近90度时则无法测量。水平放置时应用如下的公式计算倾角：
可求得为38.7度。考虑到仪器的倾斜不应该大于±30度（如果大于±30度只能重新安装），所以传感器安装时采用此种水平放置方法。
同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的miso、mosi、sck、csb与单片机的p1.1、p1.2、p1.3、p1.4相连。miso用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据，mosi与单片机的p1.2引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过p1.3向sck提供串口通讯脉冲。csb为片选信号引脚。另外，sca100t内部带有温度传感器，可对温度误差补偿，在商业温度范围内可不考虑温度的影响。
2.4一阶低通滤波器
由于sca100t系列内置一个11位的a/d转换器，会产生周期为50-70微秒持续时间大约1微秒的毛刺，这个毛刺被叠加到模拟信号输出端。在低速转换时影响不大，但在进行高速转换时可能引起测量错误。因此需要在模拟信号的输出端加上一个一阶低通滤波器，可有效滤除毛刺的影响。
2.5电源部分
为了减少模拟信号噪声，采用maxim公司的低噪声高稳定性max6325电源芯片给ads1211提供参考电源，使用max6350芯片给ads1211提供模拟电源，同时也给传感器提供电源。
3.软件设计
软件分为下位机软件和上位机软件两部分。
3.1单片机软件编程
对于51系列单片机，目前有汇编、pl/m、c和basic四种语言支持。本文下位机软件采用keilc51程序编写。主要由主程序、读ads1211子程序、读sca100t子程序、串口发送子程序和命令接收子程序等部分组成。图1.4为程序流程图：
图4单片机程序流程图
如图所示，整个程序采用顺序结构。为了加快系统的响应速度和提高计算精度，运算由上
海洋环境监测仪器是测量海洋水文要素的重要手段，其在水下的姿态直接影响到测量参数的精度。通过对仪器姿态的精确测量，可在一定倾角范围内对流速、流向等水文测量要素进行倾斜补偿。本文主要通过倾角传感器的选型、a/d转换及其测量控制电路的设计、与上位机的通讯等几部分，详细介绍了一种倾角测量系统的设计方案。已成功地在国家“十五”863计划“水下流浪潮综合测量技术”课题中得到应用。
2.倾角测量系统的硬件设计
图1是系统硬件组成的框图。如图所示，整个系统由sca100t倾角传感器、一阶低通滤波器、ads1211ad转换器、单片机、上位机等几部分组成。下面简单对硬件的各个组成部分进行介绍：
图1硬件设计框图
2.1单片机的选择
单片微型计算机简称单片机。它是把组成计算机的各种功能部件：中央处理器cpu、ram、rom、i/o接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。单片机是整个系统的核心，在本文的应用中主要用于数据采集和传输，选用的是atmel公司的at89s52。
2.2ad转换器
ads1211是高精度、宽动态特性的δ－σ型模拟／数字转换器。它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。其内部的δ－σ结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。由于采用了低噪声的输入放大器，可以在转换速度为10hz时获得20位的有效精度；借助于其内部独特的调制器加速操作模式，在转换速度为1khz时仍可达到16位的有效精度。
基金项目：国家高技术研究发展（863）计划—资源环境技术领域海洋监测技术主题：水下流浪潮综合测量技术（课题号：2002aa632060）
ads1211有主动和从动两种工作方式，在本应用中ads1211与单片机的连接采用四线
制从动方式（如图2），即ads1211的sdout、sdio、sclk、drdy分别与单片机的p1.4、p1.5、p1.6、p1.7口连接。采样数据通过sdout传输到单片机，单片机通过查询drdy接收数据。单片机通过sdio向ads1211发送命令。sclk引脚上的串行通波特率由软件编程实现。
图2倾角测量系统电路原理图
2.3倾角传感器
倾角传感器采用vtitechnologies公司的sca100t系列。sca100t是采用微电子机电技术（emes）制造的一款双轴加速度传感器，sca100t单轴的最大输出范围约为±40度，有效输出范围为±30度。在采样频率为8hz及以下时，可获得0.002度的输出分辨率。
加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时（没有水平或垂直方向的加速度时），重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。双轴加速度传感器测量倾角有两种放置方法：水平放置和一轴垂直放置。
图3给出水平放置示意图：
图3水平放置方法
水平放置在±60度的范围内有很好的分辨率，当大于±60度时，传感器将变得不灵敏（此时arcsin函数逐渐接近水平位置），当倾角接近90度时则无法测量。水平放置时应用如下的公式计算倾角：
可求得为38.7度。考虑到仪器的倾斜不应该大于±30度（如果大于±30度只能重新安装），所以传感器安装时采用此种水平放置方法。
同时，为了进行传感器自检和内部校正，分别将传感器的miso、mosi、sck、csb与单片机的p1.1、p1.2、p1.3、p1.4相连。miso用于传输传感器内部模数转换器转换的数字数据，mosi与单片机的p1.2引脚相连，用于向传感器发送命令和进行传感器内部自校正，使用软件编程通过p1.3向sck提供串口通讯脉冲。csb为片选信号引脚。另外，sca100t内部带有温度传感器，可对温度误差补偿，在商业温度范围内可不考虑温度的影响。
2.4一阶低通滤波器
由于sca100t系列内置一个11位的a/d转换器，会产生周期为50-70微秒持续时间大约1微秒的毛刺，这个毛刺被叠加到模拟信号输出端。在低速转换时影响不大，但在进行高速转换时可能引起测量错误。因此需要在模拟信号的输出端加上一个一阶低通滤波器，可有效滤除毛刺的影响。
2.5电源部分
为了减少模拟信号噪声，采用maxim公司的低噪声高稳定性max6325电源芯片给ads1211提供参考电源，使用max6350芯片给ads1211提供模拟电源，同时也给传感器提供电源。
3.软件设计
软件分为下位机软件和上位机软件两部分。
3.1单片机软件编程
对于51系列单片机，目前有汇编、pl/m、c和basic四种语言支持。本文下位机软件采用keilc51程序编写。主要由主程序、读ads1211子程序、读sca100t子程序、串口发送子程序和命令接收子程序等部分组成。图1.4为程序流程图：
图4单片机程序流程图
如图所示，整个程序采用顺序结构。为了加快系统的响应速度和提高计算精度，运算由上
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