基于加速度傳感器技術的傾角測量系統

卓芝正

（哈密市氣象局裝備保障中心，新疆 哈密 839000）

目前，加速度傳感器技術已經廣泛應用在我們的日常生活和生產中，現在利用加速度傳感器技術也生產出了各種各樣的傳感器，基于傳感器的飛速發(fā)展，相應的技術應用也逐漸多了起來。目前傳感器技術是現代科技的前沿技術，發(fā)展迅猛，許多國家將傳感器技術列為與通信技術和計算機技術同等重要的位置[1]，被廣泛地應用于各個行業(yè)領域中，在很多情況下都需要測量一個設備的傾斜程度，越來越多的超高精密的儀器及設備都離不開傾角儀對其角度的測量[2],如各種車輛、船舶、火炮及武器平臺的姿態(tài)測量[3]。現今各行業(yè)測量設備的傾角程度，測量的工具還沿襲的是水泡式水平尺，測量者僅憑肉眼目測，無法準確得到當前設備的傾斜程度，這就給觀測設備留下了隱患，造成觀測數據不準確。所以，針對以上問題，利用加速度傳感器技術設計傾角測量設備是必不可少的，也是發(fā)展的趨勢。它的作用相比于傳統的傾角測量方法體現得尤為突出，研發(fā)人員通過此技術研發(fā)出的傾角儀能夠更方便快捷地測量設備傾角問題，提高了工作效率，保證了傾角測量的準確性。通過對加速度傳感器技術的論述，證實了加速度傳感器技術在測量設備傾角中的可靠性。

1 傾角測量系統的硬件概述

該傾角測量系統由主控模塊、傳感器模塊、顯示模塊、電源模塊、主控輸入模塊、報警模塊六個模塊組成。

主控模塊為核心控制系統，以單片機作為微控制器，主控系統可以讓其他的模塊可以連通成為一個整體系統，通過編程后，來實現控制傾角測量的目的。

傳感器模塊利用加速度傳感器來進行數據采集，加速度傳感器隨著被測物體的變化，經過單片機中計算公式的處理，并自動通過A/D 轉換為數字信號，然后在算法下轉化為數值角度，利用加速度傳感器測得角度值為主控系統提供信息采集數據。

電源模塊為其它系統輸出一個穩(wěn)定的電壓。

傾角顯示模塊為主控系統分析的數據進行顯示，最后顯示在液晶屏上，得到傾角值。

主控輸入模塊可以設置角度報警值的上下限，傾角報警系統對設置的角度值是否超過上下限進行報警。

1.1 主控模塊

主控模塊即單片機最小系統，是整個電路的控制中心，其中包含了單片機、晶振電路和復位電路。目前，市場上能實現功能的單片機非常多，該系統中單片機的基本保證要求具有強抗干擾、精度高和功耗低的特點，其功能為：（1）由于信號的采集需要進行A/D 轉換，則單片機內部能進行A/D 轉換模塊；（2）還要實時控制溫度傳感器；（3）對數據的接收能實時進行處理和傳輸。

單片機的晶振電路作用是為單片機工作提供基本時鐘。時鐘信號一般又分為內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，單片機所有的命令必須在時鐘信號控制下才能有序地進行，單片機的內部有一個振蕩電路，只要在單片機的對應引腳外接一個石英晶體，就形成了自激振蕩器，而且在單片機的內部產生時鐘脈沖信號要與單片機完全兼容。

復位電路的形式包括上電復位和按鍵復位，其作用是將單片機內部各個電路的狀態(tài)恢復到一個確定的初始值，并從這個狀態(tài)開始工作。

1.2 傳感器模塊

該傾角測量系統的加速度傳感器根據物體的運動姿態(tài)可以進行信息采集，信息采集系統將信息反饋給主控系統處理。加速度傳感器可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度。

1.2.1 加速度傳感器技術

加速度傳感器是一種能夠反映出物體通過重力產生加速度的傳感器。加速度傳感器最重要的組成部分有質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等。傳感器在工作的過程中，其目的就是對物體所受的慣性力進行測量，所獲得的加速度值是根據牛頓第二定律（F=mg）計算出來的?，F市場中有各種傳感器敏感元件不同的加速度傳感器，需要根據使用者的要求來選擇。加速度傳感器技術最常見的應用就是對某物體的傾斜程度進行測量，它以重力為輸入矢量來決定物體在空間所發(fā)生的變化。當加速度傳感器在測量物體的傾斜程度時，水平發(fā)生改變，加速度傳感器的敏感軸的角度會變化，隨之也就發(fā)生重力作用，傳感器敏感軸上就會有加速度，因此可通過測量加速度的變化來計算出物體的水平變化。測量物體正交兩個軸向的傾角可以用歐拉角的形式代表坐標系的變化，設OXYZ為定坐標系，OX0Y0Z0 為動坐標系，起始時OXYZ 和OX0Y0Z0 重合，繞X 軸、Y 軸轉動后，轉動的角度為a、b 角，達到新位置OX0Y0Z0 軸。

其中OX0Y0Z0 為初始位置時加速度傳感器3 個軸向上的輸出信號，通過檢測傳感器OX0Y0Z0 方向的加速度信息X、Y、Z，即可計算出物體的變化程度。

1.2.2 加速度傳感器技術特點

加速度傳感器技術是建立在微電子機械系統（ME MS）技術基礎上的，基于MEMS 技術的微加速度傳感器制作的傾角傳感器得到了廣泛的研究與應用[4]。傳感器采集數據之后，經過信號調理、A/D 轉換將采集到的加速度數據傳輸到控制器進行處理，經過積分算法轉換為物體運動位移。對系統的使用效果進行驗證，結果表明：設計的運動軌跡檢測系統的測量精度較高，控制在3%-4%之間，物體運動位移檢測效果良好[5]。加速度傳感器是一種能感受加速度變化并可以迅速轉換為可用的輸出信號的傳感器，要求能夠精確的反應儀器設備的實時變化，尤其是基于MEMS 技術的加速度傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實現數字化和智能化[6]。

1.2.3 加速度傳感器的選擇

兩軸的加速度傳感器已經可以滿足在大多數項目上的應用。對于水平要求較高的設備則需要用到三軸加速度傳感器。對于一些簡單設備的角度測量只需要重力變化在±2g 加速度傳感器就可以滿足。低功耗也是必不可少的，其直接影響到系統的功耗和電路的噪聲。

在傳感器刷新率上，每秒鐘傳感器會產生讀數的次數越多，說明精度越高。簡單設備的角度測量需要幾十HZ 的帶寬即可滿足，高水平精度設備需要一個上百HZ 帶寬的傳感器才能滿足。

在傳感器阻值上，對于需要進行A/D 轉化的微控制器連接的傳感器阻值必須小于10kΩ。所以在選擇傳感器前要考慮是否能在可編程中斷控制器和單片機控制板正常工作。

在傳感器靈敏度上，靈敏度越高的傳感器對物體發(fā)生的加速度變化會更敏感，輸出電壓的變化也越大越容易測量，測量的值也會更精確。但實際上傳感器的靈敏度越高，測量的范圍會越窄，靈敏度低測量的范圍會比較寬。所以在選擇傳感器的時候要根據設計的產品實際出發(fā)。

1.3 顯示模塊

傾角測量顯示模塊是由液晶顯示屏來完成的，主控模塊將處理好的數據信息反應在液晶顯示屏上。液晶屏的原理就是利用液晶特殊的物理性能，使用電壓對它的顯示區(qū)域控制，接電就可以顯示。液晶顯示器非常薄，而且可以運用在大規(guī)模的集成電路當中,可以直接驅動和全彩色顯示等優(yōu)點，現在已經被應用在非常多的領域。

1.4 電源模塊

該系統的電源模塊為整個傾角測量系統供電，電源可以選擇鋰電池，鋰電池的優(yōu)點是可以使傾角測量系統更穩(wěn)定化和微型化。由于各個模塊對電壓的需求不同，可以用轉換器以分級降壓的方式在電路中體現出來。

1.5 主控輸入和報警模塊

該傾角測量系統的主控輸入系統可以由三個按鍵組成，分別為設置鍵、調上限鍵、調下限鍵。在測量傾角角度過程中，可對傾角測量儀設置一個上下限值，系統默認顯示的是當前角度值，當按下設置鍵時，顯示切換到角度上下限的顯示，調上限鍵作為調節(jié)角度上下限時的加一用，調下限鍵作為調節(jié)角度上下限時的減一用，調節(jié)完畢后再次按下設置鍵則返回當前角度值顯示。報警功能主要是角度超過設定的上限報警值或低于設定的下限報警值時會發(fā)出報警信號，系統采用的報警方式為聲光報警。聲報警用蜂鳴器來實現，光報警采用發(fā)光二極管來實現。

2 傾角測量系統的程序概述

程序的功能主要包括：

1.能在LCD 上面顯示傳感器傳出的角度。

2.判斷值是否在報警范圍內從而做出不同的判斷。

3.能進行串口通信。

傳感器把采集到的物體姿態(tài)變化數據傳給單片機，單片機會對采集到的角度值進行分析是否超過設定的上下限，若超過上下限，報警系統會報警，并在顯示屏上顯示角度；若沒有超過會直接在顯示屏上顯示。

2.1 信息采集系統及串口通信程序

該系統中傳感器系統進行信息采集并進行加速度計算，由I2C 串行通信進行寫信號，然后將信號將發(fā)送至設備地址并發(fā)送讀取單元地址，發(fā)送完后I2C 串行通信進行讀信號并且連續(xù)讀取加速度數據，直到讀完，I2C 串行通信停止信號。每個I2C 總線上的器件的地址唯一，主機就是通過尋找唯一的地址來進行數據傳輸。當主機為發(fā)送器的時候，器件接收數據，當主機為接收器的時候，器件發(fā)送數據。

2.2 液晶顯示系統程序

采集到的加速度會經過單片機處理轉化為角度，顯示系統將角度值轉化為字符并調用LCD 字符顯示函數，最后在顯示屏上顯示出來。

要顯示的數據有：當前角度值、角度的上限值和角度的下限值。角度值的范圍是360°任意角。

2.3 報警系統程序

傳感器先采集角度值，然后傳感器將采集到的角度值在單片機處理時會進行判斷角度值是否超過預定值，如果角度超過上下限，串口發(fā)送角度超限，通過蜂鳴器的聲音實現高于上限或低于下限的報警，同時發(fā)光二極管會發(fā)光。如果沒有超過上下限蜂鳴器不發(fā)聲，二極管不發(fā)光。

3 傾角測量系統的溫度誤差補償技術

由于實際運用中對傾角測量系統的精度有非常高的要求，而本系統正是建立于MEMS 的傳感器上研究的。溫度不會造成傾角測量系統的硬件設計和結構上的誤差，但是其內部加速度的標度因數和零點電壓會因溫度的不同而發(fā)生改變[7]。因此可以確定溫度誤差是影響本系統精度的最大因素，建立傾角測量系統在靜態(tài)條件下進行的溫度誤差補償方法可以減小誤差，提高系統的測量精度。

4 傾角測量系統的應用

使用者在測量設備水平時，將傾角測量儀放置在設備平面上，設備平面與儀器之間要光潔、平整，以免因外界因素影響測量值的精確。這里要注意在儀器放置好后，身體不要接觸設備平面，以防止頂蓋輕微變形引起測量誤差。

將儀器按照使用者目的放置好后，儀器的輸出顯示屏會輸出三組數據：X 軸方向的角度，Y 軸方向的角度，Z 軸方向的角度，當對某一個角度進行測量時，若顯示的數據為X：0，Y：0，Z：0，則說明在這某一角度的平面是水平的，若輸出的某一坐標軸要素顯示數值，則說明設備是不水平的，正值代表此方向偏高，負值則相反。由此可判斷出設備是否水平或是否達到設備需傾斜的角度，對設備進行人工調節(jié)后，儀器轉動180°，按上述的水平測量方法進行再次測量。如此反復，一直調整到符合要求為止。上述只是提到加速度傳感器受重力的影響，如果設備在旋轉的情況下，儀器會受旋轉離心加速度和旋轉切向加速度的影響。傳感器和距旋轉中心的距離越小，旋轉離心加速度和旋轉切向加速度的影響則可以減小，所以測量儀器要放在設備旋轉中心。