基于倾角传感器的倾角测量系统设计
目前，业内对倾角的测量多是基于MEMS的加速度传感器，SCA100T是由芬兰VTI公司推出，采用三维MEMS技术开发的一款高精度双轴倾角传感器，可同时测量相对于水平面的倾斜和俯仰角度，具有温度补偿功能。本文以塔式起重机为应用背景，采用SCA100T倾角传感器实时采集倾斜信息，检测塔式起重机支撑架的平衡性能，避免由于其过度倾斜而引发事故。以SCA100T为基础设计了一款小巧、灵敏度高的倾角测量系统，分析了SCA100T倾角传感器测角的原理，给出了系统各个模块的软硬件设计方法，同时提供了两种具有可扩展性的应用方法。
1 整体设计
图1所示为本系统的整体结构框图。该系统采用ATmega8单片机控制SCA100T倾角传感器实时检测平台的倾角变化，将传感器输出的数字量进行换算后，转换为实际的倾角值。用户可以根据需要设置警界倾角值和预定平台水平位置，倾角信息可通过LCD实时显示或通过串口输出到上层控制器中。当倾角信息超过预置的警界倾角值时，系统开始报警，表现为蜂鸣器报警和LED灯闪烁。
系统根据输出方式的不同分为两种应用方式：一种是作为独立系统使用，固定在待测平台上；另一种是将该系统作为一个倾角采集模块，挂接在其他电路中使用。前者采用LCD1602实时显示倾角信息，采用串口超级终端预设倾角警界值和水平位置；后者通过串口输出倾角信息，允许软件编程通过发送串口命令进行配置。配置信息均保存在ATmega8单片机内部的EEPROM中。
2 倾角测量原理
本文选用的SCA100T的测量范围为±30°，其内部包含硅电容感应元件、EEPROM存储器、信号调理电路、A／D转换器、温度传感器和SPI传输接口等，SCA100T功能框图如图2所示。该传感器具有X、Y两个通道，分别用来测量倾斜和俯仰的加速度，每个通道具有自测试系统，可内部产生一个静电力来校验全部的信号通道。信号输出有SPI数字信号输出和模拟电压信号输出两种方式，同时可输出温度信息进行温度补偿。
SCA100T的测角原理为：通过测量静态重力加速度的变化，将其转换成倾角变化。SCA100T的硅电容感应元件由3层硅片构成，形成立体结构，当发生倾斜时，中间质量片会倾向某一侧，从而使两侧的电容发生变化。通过电压值可反映相应的加速度值，进而可计算角度值。图3所示分别为X轴与Y轴的倾角变化情况(X／Y是从倾斜方向来划分的)，以X轴为例，其加速度值与重力加速度之间的关系为：
Ax=g·sina→α=arcsin(Ax／g)
其中，Ax表示X轴测出的加速度值，g表示重力加速度值，α为X轴倾角。
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