采用ATmega8控制器的傾角測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(shù)開發(fā)的一款高精度雙軸傾角傳感器，可同時(shí)測量相對于水平面的傾斜和俯仰角度，具有溫度補(bǔ)償功能。本文以塔式起重機(jī)為應(yīng)用背景，采用SCA100T傾角傳感器實(shí)時(shí)采集傾斜信息，檢測塔式起重機(jī)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(chǔ)設(shè)計(jì)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(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方法，同時(shí)提供了兩種具有可擴(kuò)展性的應(yīng)用方法。

　　1 整體設(shè)計(jì)

　　圖1所示為本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)采用ATmega8單片機(jī)控制SCA100T傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測平臺的傾角變化，將傳感器輸出的數(shù)字量進(jìn)行換算后，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的傾角值。用戶可以根據(jù)需要設(shè)置警界傾角值和預(yù)定平臺水平位置，傾角信息可通過LCD實(shí)時(shí)顯示或通過串口輸出到上層控制器中。當(dāng)傾角信息超過預(yù)置的警界傾角值時(shí)，系統(tǒng)開始報(bào)警，表現(xiàn)為蜂鳴器報(bào)警和LED燈閃爍。

系統(tǒng)根據(jù)輸出方式的不同分為兩種應(yīng)用方式：一種是作為獨(dú)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(gè)傾角采集模塊，掛接在其他電路中使用。前者采用LCD1602實(shí)時(shí)顯示傾角信息，采用串口超級終端預(yù)設(shè)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(jìn)行配置。配置信息均保存在ATmega8單片機(jī)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(yīng)元件、EEPROM存儲器、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)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(gè)通道，分別用來測量傾斜和俯仰的加速度，每個(gè)通道具有自測試系統(tǒng)，可內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)靜電力來校驗(yàn)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(shí)可輸出溫度信息進(jìn)行溫度補(bǔ)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(zhuǎn)換成傾角變化。SCA100T的硅電容感應(yīng)元件由3層硅片構(gòu)成，形成立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生傾斜時(shí)，中間質(zhì)量片會傾向某一側(cè)，從而使兩側(cè)的電容發(fā)生變化。通過電壓值可反映相應(yīng)的加速度值，進(jìn)而可計(jì)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(guān)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。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的整體硬件電路如圖4所示。系統(tǒng)采用SCA100T的SPI接口來讀取輸出信息，可避免額外的A／D采樣。由于ATmega8具有1路SPI中斷，因此可直接將傳感器作為從器件接到單片機(jī)的SPI接口上。系統(tǒng)通過控制三極管的開通與關(guān)閉來控制蜂鳴器和LED指示燈的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而達(dá)到報(bào)警的功能。把ATmega 8單片機(jī)的PD2引腳接到三極管的基極，正常工作時(shí)將PD2置低電平。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，將PD2置高電平，此時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出響聲，LED指示燈變亮。

系統(tǒng)采用LCD1602字符型液晶模塊來顯示傾角信息，該模塊可同時(shí)顯示兩行字符，分別為X軸與Y軸傾角信息。模塊通常采用HD44780芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的16條引腳線。對于串口傳輸，系統(tǒng)采用TTL電平和RS232兩種輸出方式，單片機(jī)輸出的TTL，電平可經(jīng)過MAX232芯片轉(zhuǎn)換后變?yōu)镽S 232信號，通過標(biāo)準(zhǔn)串口線與上位機(jī)通信。
采用哪種串口輸出方式取決于工作方式。當(dāng)采用串口超級終端對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)置時(shí)，需要用短路塊將ATmega8單片機(jī)的TTL輸出接到MAX232芯片的TTL輸入端；當(dāng)采用軟件編程方式時(shí)，可直接將ATmega8單片機(jī)的TTL輸出接到其他電路的TX／RX端，作為其外圍電路使用，此時(shí)需要注意波特率的設(shè)置。
另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模式選擇功能，將ATmega8單片機(jī)的PB0和PB1引出，前者用于選擇是否采用LCD顯示，后者用于選擇是否進(jìn)入串口超級終端配置模式。正常工作時(shí)，這兩個(gè)引腳為高電平，表示選擇串口超級終端配置模式，允許通過串口軟件編程；當(dāng)用短路塊將PB0接地時(shí)，表示選擇LCD顯示方式；當(dāng)PB1接地時(shí)，表示進(jìn)入串口超級終端，并對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)置。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)整體的軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對引腳初始化，設(shè)置SPI模式，開SPI和串口中斷。如果選擇了LCD顯示功能，還需要對LCD控制引腳進(jìn)行初始化，顯示初始化信息。然后根據(jù)是否選擇了串口超級終端配置功能，決定下一步操作。

當(dāng)該功能被選中時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入超級終端處理程序，首先向PC端超級終端發(fā)送提示字符，等待用戶選擇和輸入預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，收到相關(guān)數(shù)據(jù)后，將其反饋給PC端顯示，同時(shí)進(jìn)行預(yù)設(shè)處理，并將預(yù)設(shè)的數(shù)值寫入EEPROM。當(dāng)未選中該功能時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，如果發(fā)生串口中斷，則進(jìn)入串口處理程序，根據(jù)收到串口數(shù)據(jù)幀是預(yù)設(shè)命令還是請求數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理。前者則將預(yù)設(shè)數(shù)值寫入EEPROM，若是后者則將傾角信息上傳給上層控制器。如果沒有發(fā)生串口中斷，則主程序通過SPI接口采集傳感器輸出的加速度數(shù)字量，并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際傾角信息，判斷傾角是否超過預(yù)設(shè)角度值。如果超過則開始報(bào)警，同時(shí)如果選中了LCD顯示功能，還需要通過并口將數(shù)值輸出到LCD1602顯示。

　　4．1傳感器數(shù)據(jù)采集與計(jì)算

　　對于傳感器采集，當(dāng)CSB引腳為低電平時(shí)有效，允許傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，高位在前，低位在后。MISO線上的數(shù)據(jù)在SCK下降沿傳輸，MOSI線上的數(shù)據(jù)在SCK上升沿傳輸。加速度數(shù)據(jù)量SPI傳輸時(shí)序如圖6所示。單片機(jī)首先通過MOSI線向傳感器發(fā)送一個(gè)(組)命令，傳感器在接收到完成命令后，開始連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。這里的命令為8位信息，加速度數(shù)據(jù)量為11位信息，常用的命令有RDAX(0001，0000)和RDAY(0001，0001)，分別表示讀取X／Y軸加速度數(shù)據(jù)量。

傳感器輸出的X軸與Y軸加速度信息均為11位數(shù)字量，其范圍為0～2 048，零度位置對應(yīng)的數(shù)據(jù)量為1 024。根據(jù)下述公式可將輸出的加速度數(shù)字量轉(zhuǎn)換為實(shí)際傾角值：

其中，Dout表示X／Y軸輸出的數(shù)字量；Dout@0°表示零度偏移量(即1 024)；Sens表示傳感器靈敏度，由VTI廠商提供，對于SCA100T傾角傳感器，該值為1683；α’表示預(yù)設(shè)的平臺水平角度，默認(rèn)為0。
4．2 串口命令
圖7為串口與單片機(jī)通信的數(shù)據(jù)幀格式。圖中每幀有16個(gè)字節(jié)，開始兩個(gè)字節(jié)是幀頭(0xFFAA)，接著是兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)類型，其類型主要有3種：請求數(shù)據(jù)(0x0001)、預(yù)設(shè)警界角度(0x0010)、預(yù)設(shè)水平角度(0x0011)。然后是10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位，通常數(shù)據(jù)位為2個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)(整形或浮點(diǎn)型)，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊問題，在后面加入兩個(gè)值為0的字節(jié)。最后是兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位，采用CRC-16進(jìn)行校驗(yàn)。

數(shù)據(jù)發(fā)送由上層控制器主動發(fā)送，傾角測量系統(tǒng)被動響應(yīng)。當(dāng)上層控制器向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請求時(shí)，其數(shù)據(jù)位置0；系統(tǒng)收到請求命令后，將傾角信息填入數(shù)據(jù)位，發(fā)送給上層控制器。當(dāng)上層控制器向單片機(jī)發(fā)送預(yù)設(shè)警界傾角值時(shí)，將預(yù)設(shè)角度值填入數(shù)據(jù)位；單片機(jī)收到后，將數(shù)據(jù)寫入EEPROM中并發(fā)送反饋，反饋幀以同樣的類型發(fā)送，但是數(shù)據(jù)位填入全0。當(dāng)上層控制器向單片機(jī)發(fā)送預(yù)設(shè)水平角度值時(shí)，其操作類似預(yù)設(shè)警界傾角值，只是類型不同。
4．3 串口超級終端模擬
在WindowsXP或是Windows 2000操作系統(tǒng)下，在開始→菜單＼程序＼附件＼通信下可以看到“超級終端”，這是Windows自帶的通信終端工具。在超級終端里輸入字符時(shí)，會自動發(fā)送出去，但是如果沒有反饋，是不會顯示輸入的字符信息的。因此，模擬超級終端需要做兩件事：一是接收用戶在超級終端里輸入的字符；二是將輸入的字符反饋回來，供用戶查看。采用超級終端的方法可以避免用戶直接使用命令操作的過程，所有的命令對用戶來說都是透明的，用戶只需要根據(jù)提示信息，輸入相關(guān)信息即可完成預(yù)設(shè)配置工作。圖8所示為預(yù)設(shè)配置示意圖。

結(jié)語

本文以塔式起重機(jī)為應(yīng)用背景設(shè)計(jì)了這款傾角測量系統(tǒng)，系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中工作良好，達(dá)到了預(yù)期的效果，能實(shí)時(shí)監(jiān)測塔式起重機(jī)支架的平衡性，對預(yù)防建筑施工事故起到了重要的作用。系統(tǒng)探討了SCA100T傳感器的使用方法，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了兩種應(yīng)用方式，對于系統(tǒng)的擴(kuò)展起到了很好的作用；同時(shí)，模擬了串口超級終端來配置系統(tǒng)信息，以此來替代小鍵盤。