基于MEMS傳感器技術(shù)的傾角測量儀設(shè)計(jì)

郝 騫 馮敦超 馬慧卿 齊明思

（中北大學(xué)國家級電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，太原 030051儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051 ）

1 引言

目前很多工程應(yīng)用領(lǐng)域需要進(jìn)行精確、大量程的角度測量以及水平面的確定，并把采集到的數(shù)據(jù)交由計(jì)算機(jī)分析處理[1,2]。本文針對這種需求，設(shè)計(jì)了基于MEMS加速度傾角傳感器的傾角測量儀，硬件采用SCA610 傾角傳感器，Atmega8 單片機(jī)，數(shù)碼管和串口數(shù)據(jù)通訊。軟件方面進(jìn)行了傳感器的線性度擬合，開發(fā)了簡單的計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件。該測量儀可以做到開機(jī)即可使用，方便與計(jì)算機(jī)連接。

2 測量原理

當(dāng)物體水平放置時，且不受其它外力的作用時，它受到豎直向下的重力加速度的作用；而當(dāng)物體放置在一個傾斜的平面上時，物體的重力加速度就可以分解為沿著平面的加速度分量和垂直于平面的加速度分量。當(dāng)測得物體的下滑分量加速度α，就可以通過的公式(1），(2)計(jì)算出物體的傾斜角。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器采用芬蘭VTI公司的單軸電容式MEMS傾角傳感器SCA610，+5V供電，低溫漂，量程-90°～+90°，模擬電壓輸出，范圍0.5V～4.5V。單片機(jī)使用ATMEL公司的Atmega8單片機(jī)，自帶8路10位ADC。硬件框圖如圖1所示。

顯示分為數(shù)碼管和上位機(jī)兩種方式，使用的是4位共陽數(shù)碼管，其中最高位用于顯示正負(fù)，其余三位前兩位是十位和各位，最后一位為小數(shù)。傾角測量儀與計(jì)算機(jī)通訊采用的是USB轉(zhuǎn)串口芯片PL2303，該芯片一次性完成USB至TTL電平的轉(zhuǎn)換，無需增加電平轉(zhuǎn)換芯片，結(jié)構(gòu)簡單。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先初始化ADC和定時器，為了濾除噪聲，采用連續(xù)采集20次傳感器的輸出電壓取平均的方式。然后進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，通過定時器定時刷新數(shù)碼管，防止數(shù)碼管閃爍，同時通過串口把角度值輸出至上位機(jī)。主程序框圖如圖2所示。

圖1 傾角測量儀硬件框圖

圖2 主程序流程圖

本測量儀能夠適應(yīng)大多數(shù)工程測量場合的一個重要因素在于可以隨時改變兩點(diǎn)位置，當(dāng)測量儀處在某一角度是按下按鍵系統(tǒng)就會以此角度為零度重新測量。

中斷刷新數(shù)碼管程序框圖如圖3所示。

為了便于在計(jì)算機(jī)端顯示，利用Visual Basic 開發(fā)了上位機(jī)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的記錄和圖形化顯示，界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)界面

5 測試結(jié)果

為了提高傾角傳感器的補(bǔ)償準(zhǔn)確性，在測試開始前對傾角傳感器進(jìn)行標(biāo)定，又稱偏移校準(zhǔn)。標(biāo)定方法如圖5 所示。將儀器放在校準(zhǔn)后的水平位置，將此時的輸出值記做0度值。如果沒有精確的水平面，可用任何穩(wěn)定的平面代替。測出下圖中位置A與位置B的輸出，計(jì)算出平均值{ ( VoutA + VoutB ) / 2 }并記做零度值。

圖3 中斷服務(wù)程序

圖5 傾角傳感器標(biāo)定

實(shí)測結(jié)果為：

利用標(biāo)準(zhǔn)角度儀器對傾角傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確度驗(yàn)證，驗(yàn)證時注意角度的精確性，以保證測量準(zhǔn)確性。其原理是利用傳感器制造參數(shù)及相應(yīng)公式，根據(jù)輸入電壓、標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定角度、輸出電壓，計(jì)算相應(yīng)測量參數(shù)，從而為角度測量制定參考標(biāo)準(zhǔn)。還應(yīng)注意在每次測量前都要進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)測結(jié)果如表1 所示：

表1 傾角傳感器實(shí)際輸出電壓與傾角的關(guān)系

從圖6可以看出理論值、實(shí)際值以及8次擬合后的值的關(guān)系，可得傾角傳感器的輸出電壓遵循正弦函數(shù)關(guān)系。

圖6 理論值、實(shí)測值和擬合數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的傾角測量儀攜帶方便，讀數(shù)精確，達(dá)到±0.3°，顯示清晰，可以通過上位機(jī)進(jìn)行分析處理，并且能夠?qū)崿F(xiàn)隨時改變零點(diǎn)位置，極大的擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域。

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