基于傾角傳感器設(shè)計的帆船姿態(tài)儀

　　隨著2008年北京奧運會的臨近，帆船運動越來越受到人們的重視，如何利用現(xiàn)代科技手段輔助訓(xùn)練，來提高比賽成績顯得尤為重要。從賽場實時采集數(shù)據(jù)指導(dǎo)訓(xùn)練和減輕帆船教練工作強度方面考慮，設(shè)計帆船姿態(tài)儀，可使教練員了解每位運動員具體的訓(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

　　基于PIC16F877A設(shè)計的帆船姿態(tài)儀，能采集帆船行駛過程中的前后仰俯角、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，記錄時間大約為5 h(小時)。上位機通過RS232接口，可將存儲的數(shù)據(jù)讀取上來。上位機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。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

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

　　DS1302時鐘芯片記錄測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，并在記錄時進(jìn)行時間標(biāo)定。其軟硬件設(shè)計簡單，時間記錄準(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，以便在沒有主電源的情況下仍能保存時間信息以及數(shù)據(jù)。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電，當(dāng)VCC2小于VCC1時，VCC1給DS1302供電。

　　AT45D081A-RI是Atmel公司生產(chǎn)的大容量Flash存儲器，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，因此，其硬件設(shè)計與軟件編程都很容易。

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

　　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帆船的傾斜角度，通過不同的安裝方式檢測帆船前后仰俯角和左右搖擺角。SCA60C實際上是一個加速度計，內(nèi)部由一個硅微傳感器和信號處理芯片組成；SMD形式封裝；通過測量地球引力在測量方向上的分量，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)用實際輸出值代替通常值。

　　4 上位機軟件設(shè)計

　　采用Delphi軟件設(shè)計帆船姿態(tài)儀的上位機，將帆船姿態(tài)儀采集存儲的數(shù)據(jù)通過串口讀取上來，利用上位機軟件對讀取上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并以曲線的形式形象地顯示出來，教練員可以在上位機上了解運動員訓(xùn)練的具體情況。軟件界面如圖4所示。

　　結(jié) 語

　　帆船姿態(tài)儀安裝調(diào)試簡單，技術(shù)先進(jìn)，功能豐富，維護(hù)方便，可幫助帆船運動員進(jìn)行科學(xué)的訓(xùn)練，迎接2008年北京奧運會。