張秀再， 陳彭鑫， 吳華娟

(南京信息工程大學(xué) a. 電子與信息工程學(xué)院； b. 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心；c. 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心， 江蘇 南京 210044)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

基于MEMS重力檢測的數(shù)字水平儀

張秀再a，b，c， 陳彭鑫a， 吳華娟a

(南京信息工程大學(xué) a. 電子與信息工程學(xué)院； b. 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心；c. 江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心， 江蘇 南京 210044)

為了實(shí)現(xiàn)較高精度的測量水平角度和兩個(gè)相交平面的夾角，設(shè)計(jì)了基于MEMS三軸加速度傳感器和MSP430F149單片機(jī)的新型高精度、低功耗數(shù)字水平儀。系統(tǒng)基于MEMS重力檢測技術(shù)通過MEMS三軸加速度傳感器檢測空間三軸上的重力加速度分量來計(jì)算水平傾角，克服了雙軸傳感器在空間傾角測量上的缺陷；通過溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)測量環(huán)境溫度并對水平傾角進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高測量的準(zhǔn)確度；采用OLED顯示角度(弧度、斜率)、溫度和時(shí)間，采用E2PROM存儲測量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)測試精度較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

數(shù)字水平儀； 重力檢測； 三軸加速度傳感器； 溫度補(bǔ)償

0 引 言

數(shù)字水平儀[1-4]是用于測量物體相對水平面傾斜角度的儀器，由傳統(tǒng)的氣泡水準(zhǔn)儀發(fā)展而來。在家具及汽車制造行業(yè)、高樓橋梁建筑行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和航空航天等行業(yè)，往往都需要檢查各種機(jī)械設(shè)備的不直度、物件相對位置的水平度。這些都需要對水平傾角進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。國內(nèi)傳統(tǒng)的氣泡水準(zhǔn)儀是通過加熱玻璃管內(nèi)的酒精乙醚溶液，再經(jīng)過冷卻形成水準(zhǔn)氣泡，直接通過人眼觀察氣泡是否處于玻璃管中央位置來進(jìn)行調(diào)平判斷[5]。因此，它既不能定量顯示傾斜角度值，又費(fèi)事費(fèi)力。

本文設(shè)計(jì)并制作了基于MEMS重力檢測的新型高精度低功耗數(shù)字水平儀。系統(tǒng)以MSP430F149超低功耗單片機(jī)為核心，通過MEMS三軸加速度傳感器ADXL345實(shí)時(shí)獲取其靜態(tài)放置時(shí)重力加速度在空間三軸上的分量，從而計(jì)算出物體相對水平面的傾斜角度。由于MEMS傳感器的輸出會受到溫度的影響，所以系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測，根據(jù)溫度經(jīng)驗(yàn)偏差曲線進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償。另外，系統(tǒng)通過3.7 V鋰電池供電，并設(shè)計(jì)了充電管理電路；通過低功耗OLED顯示角度(弧度、斜率)、當(dāng)前環(huán)境溫度以及系統(tǒng)時(shí)間。鑒于樣本記錄的需要，系統(tǒng)通過電可擦除存儲器AT24C04可對一組測量樣本進(jìn)行記錄且掉電保存。與傳統(tǒng)的氣泡水準(zhǔn)儀相比，具有檢測速度快、精度高、可充電和附加功能多等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于MEMS重力檢測技術(shù)的數(shù)字水平儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括：① MEMS三軸加速度傳感器模塊。ADXL345將三軸重力分量轉(zhuǎn)化成電信號，并在傳感器內(nèi)部將電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，最后以I2C總線的方式串行輸出數(shù)字信號;② 溫度傳感器模塊。DS18B20向單片機(jī)傳送實(shí)時(shí)環(huán)境溫度信號;③ 按鍵、OLED屏模塊。用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和顯示測量數(shù)據(jù)；④ 鋰電池充電管理模塊。用于監(jiān)測電池的電壓和電流，防止過沖過放；⑤ 其他模塊。包括主控芯片MSP430F149、時(shí)鐘芯片和EEPROM。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 測量原理

2.1 二維傾角計(jì)算

如圖2所示，當(dāng)加速傳感器靜止放置時(shí)，會受到豎直方向上重力的作用。而當(dāng)傳感器在XOY平面上傾斜時(shí)，其X、Y軸方向分別受到g·sinα和g·cosα的分量，g表示重力加速度，α表示水平傾角，

(1)

用雙軸加速度測量物體在XOY平面上的傾斜角度，Ax,out和Ay,out分別表示傳感器輸出的X、Y軸重力加速度分量。但當(dāng)傳感器在空間傾斜時(shí)，很多情況下不能保證完全傾斜在XOY平面上，一些重力分量會落在Z軸上，這樣就無法使用雙軸加速度進(jìn)行測量了[6]。

圖2 二維傾角圖

圖3 三維傾角圖

2.2 三維傾角計(jì)算

針對雙軸加速度在測量上的局限性，本系統(tǒng)考慮使用三軸加速度傳感器[7-9]。如圖3所示，傳感器在空間上的X、Y和Z軸都會受到重力分量的作用。引入空間Z軸后，用球面坐標(biāo)(ρ，θ，φ)代替空間直角坐標(biāo)(x，y，z)來表征各軸上的重力加速度分量與空間角之間的關(guān)系，根據(jù)立體幾何關(guān)系可得:

(2)

(3)

(4)

因此，用三軸加速度測量物體相對空間水平面的傾斜角度公式就需要推廣為：

(5)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器

3.1.1 MEMS三軸加速度傳感器

ADI公司生產(chǎn)的超低功耗三軸加速度傳感器ADXL345，其在工作模式下電流為23 μA，在待機(jī)模式下功耗僅為0.1 μA。搭載32位FIFO，在FIFO模式下，空間X,Y,Z軸的測量數(shù)據(jù)均存儲在FIFO中，可將主處理器的負(fù)荷降至最低?？蛇x量程有±2g，±4g，±8g和±16g，分辨率為10～13位。既能測量運(yùn)動或沖擊過程導(dǎo)致的動態(tài)加速度，也能測量靜止物體的靜態(tài)加速度[10-13]。本系統(tǒng)選擇±2g量程，10位分辨率，故傳感器的三軸靈敏度理論值為256gLSB。系統(tǒng)主控芯片通過I2C總線協(xié)議與ADXL345串行通信，其電路連接圖如圖4所示。

圖4 MEMS傳感器

雖然MEMS傳感器的溫度性能很好，但鑒于PCB工藝等眾多因素的影響，溫度變化時(shí)，ADXL345不可避免地會存在0g偏移，整體測量輸出也會有微小的變化[14]，在實(shí)驗(yàn)室控溫條件下，分別測量重力加速度全載到空間三軸上時(shí)，傳感器X，Y，Z軸各自的輸出，通過Matlab將樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,見圖5，得到三軸靈敏度的溫度修正函數(shù)為：

(6)

式(5)可進(jìn)一步修正為帶溫度補(bǔ)償：

α=

(7)

式中：Dx,y,z,out為三軸各自輸出的數(shù)字量；Ax,y,z,out為三軸各自測得的加速度分量。

圖5 靈敏度-溫度關(guān)系圖

3.1.2 溫度傳感器

基于溫度傳感器DS18B20的溫度測量電路如圖6所示。DS18B20具有獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0～5.5 V 無需備用電源，測量溫度范圍為-55～125 ℃ 。不同于其他串行通信協(xié)議，作為單線器件DS18B20擁有自己獨(dú)特的通信協(xié)議。DS18B20不是根據(jù)電壓的高低來區(qū)分邏輯‘0’和邏輯‘1’的，而是根據(jù)高電平持續(xù)時(shí)間的長短來區(qū)分。在對DS18B20讀寫之前，要首先對其進(jìn)行復(fù)位。之后才能對DS18B20內(nèi)部的RAM和ROM進(jìn)行操作。

圖6 溫度測量電路

3.2 鋰電池充電電路

系統(tǒng)采用3.7 V鋰電池供電，并設(shè)計(jì)充電管理電路,如圖7所示。鋰電池充電過程一般分為涓流充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段。美國微芯公司生產(chǎn)的線性充電管理控制器MCP73831可通過檢測鋰電池電壓來判斷當(dāng)前充電階段，從而控制充電電壓和電流，防止過沖過放。圖中，電阻R10的阻值可調(diào)控充電電流和電壓的大小，當(dāng)R10=2 kΩ時(shí)，充電電流約為500 mA，電壓約為4.2 V。另外系統(tǒng)要求在電池充電過程中，數(shù)字水平儀仍然可以使用。所以通過肖特基二極管D2和D3限制電流方向，防止MCP73831對電池電壓產(chǎn)生誤判。充電時(shí)，D2導(dǎo)通，D3截止，系統(tǒng)由MiniUSB供電。

圖7 充電管理電路

采用LDO芯片 RT9193-3.3對鋰電池進(jìn)行穩(wěn)壓至3.3 V，對系統(tǒng)各數(shù)字芯片進(jìn)行供電。RT9193的輸入輸出壓差僅與負(fù)載電流和環(huán)境溫度有關(guān)。在室溫(25 ℃)，負(fù)載電流為300 mA的情況下，壓差僅為220 mV。22 μF的旁路電容C10可減少穩(wěn)壓輸出的紋波噪聲。為了使LDO處于連續(xù)工作狀態(tài)，系統(tǒng)將EN引腳連接到輸入電壓引腳上。

3.3 時(shí)鐘芯片和E2PROM

AT24C04是Atmel公司的4KB電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機(jī)通訊。DS1302 是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一款具有閏年自動補(bǔ)償功能的時(shí)鐘芯片，它不僅可以準(zhǔn)確地計(jì)算小時(shí)、分鐘和秒，而且可以累積出星期、日期以及年份。只需在系統(tǒng)初始化時(shí)，對DS1302寫入一次時(shí)間，然后DS1302便以這個(gè)初始時(shí)間為基準(zhǔn)向后計(jì)時(shí)。搭建時(shí)鐘電路和E2PROM電路是為了根據(jù)用戶的需求記錄并存儲一個(gè)或一組樣本值，以及獲取樣本的時(shí)間和日期。這些存儲值可以掉電保存，也可以通過按鍵中斷將其呼出顯示在OLED上，或者將其刪除。

3.4 OLED顯示屏

即有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)與普通LCD顯示屏的主要區(qū)別在于OLED不需要背光源，所以節(jié)省了很大的功耗。系統(tǒng)采用3.3 cm(1.3吋)OLED并配合使用帶GB2312字符集和ASCII符集的標(biāo)準(zhǔn)漢字字庫芯片GT20L16S1Y，具有“低功耗、體積小”的特點(diǎn)。系統(tǒng)利用SPI總線協(xié)議與GT20L16S1Y進(jìn)行通信，通過字符內(nèi)碼計(jì)算出某字符點(diǎn)陣在芯片中的地址，并從該地址連續(xù)串行讀出字符點(diǎn)陣信息。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗微控制器MSP430F149為主控芯片[15-16]。它具有60 KB大小的Flash作為程序存儲器和2 KB大小的RAM作為數(shù)據(jù)存儲器。最大時(shí)鐘頻率為8 MHz，可編程I/O口數(shù)量為48個(gè)。

4.1 主程序流程圖

如圖8所示，系統(tǒng)首先初始化時(shí)鐘，選擇8 MHz晶振作為主時(shí)鐘源。然后對MEMS三軸加速度傳感器ADXL345和溫度傳感器DS18B20作寄存器配置。然后實(shí)時(shí)采集兩個(gè)傳感器的輸出，并根據(jù)附帶溫度補(bǔ)償模型的式(7)計(jì)算出當(dāng)前傾角。

圖8 主程序流程圖

4.2 中斷流程

(1) 按鍵1中斷。如圖9，當(dāng)按鍵1按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入1號中斷。按鍵1中斷的作用是記錄測量樣本。

首先讀出當(dāng)前測量數(shù)據(jù)，包括傾角值、溫度值和時(shí)間，然后將該樣本按字節(jié)寫入E2PROM，并顯示當(dāng)前存儲器中的指針位置，方便用戶了解該樣本的地址編號。最后清中斷標(biāo)志位并返回主程序。

(2) 按鍵2中斷。按鍵2按下時(shí)，會觸發(fā)2號中斷服務(wù)程序，其作用是查看存儲在E2PROM中的樣本數(shù)據(jù)。程序需要在每讀出一組數(shù)據(jù)后，判斷是否已經(jīng)讀取完畢，若否，則繼續(xù)讀取。最后顯示在OLED屏上，并清除中斷標(biāo)志位返回主程序。

(3) 按鍵3中斷。按鍵3的中斷服務(wù)程序作用是刪除樣本數(shù)據(jù)，指針自下而上，每次刪除之前顯示樣本數(shù)據(jù)及指針編號，方便用戶了解E2PROM中剩余樣本數(shù)據(jù)。最后清中斷標(biāo)志并返回主程序。

4.3 軟件濾波

系統(tǒng)軟件濾波部分包括：① 溫度補(bǔ)償；② 中值濾波；③ 數(shù)值保持。由于溫度變化會影響MEMS傳感器的靈敏度和0g偏移。所以計(jì)算公式要修正為式(7)。為了降低測量誤差，軟件上進(jìn)行加權(quán)中值濾波，即對10次測量數(shù)據(jù)去除最大值與最小值，對剩余8個(gè)數(shù)據(jù)按權(quán)重求平均，權(quán)重與數(shù)據(jù)更新時(shí)刻成正比。由于ADXL345的靈敏度為10位，不可避免地會產(chǎn)生輸出數(shù)值波動，故軟件對輸出結(jié)果波動不超過0.1°的情況不作理會，即只保留小數(shù)點(diǎn)后1位。

圖9 中斷流程圖

5 系統(tǒng)裝置示意圖

系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)需要方便手持，故設(shè)計(jì)了形狀為手持桿的系統(tǒng)裝置，裝置圖如圖10所示。系統(tǒng)3.7 V鋰電池裝在尾部電池槽中，用戶按鍵和OLED顯示屏嵌入在手持桿中間位置。由于上、下接觸面相互平行，故用戶只需將其中一面緊貼待測平面即可測得傾角值，若待測平面為金屬面，則可通過吸附強(qiáng)磁直接貼上去。⑥和⑦為旋轉(zhuǎn)接口，可通過旋轉(zhuǎn)螺栓連接另一個(gè)相同的手持測量桿，構(gòu)成夾角臂狀，兩臂讀數(shù)相減即可得到夾角讀數(shù)。該裝置有方便手持、可吸附金屬面和可拓展夾角測量等特點(diǎn)。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為體現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)男Ч瑢?shí)驗(yàn)分甲、乙兩組進(jìn)行，每組各5次實(shí)驗(yàn)。甲組實(shí)驗(yàn)在室溫(25℃)下進(jìn)行，乙組在不同溫度下進(jìn)行，兩組數(shù)據(jù)均與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和角度測量儀的實(shí)際測量數(shù)據(jù)做對比。由表1數(shù)據(jù)可知，在溫度變化情況下，系統(tǒng)測量結(jié)果仍然保持高準(zhǔn)確性。

圖10 系統(tǒng)裝置示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

7 結(jié) 語

基于MEMS重力檢測技術(shù)的數(shù)字水平儀克服了傳統(tǒng)氣泡水準(zhǔn)儀讀數(shù)慢、精度低的問題。本系統(tǒng)的硬件裝置采用PCB沉金工藝、OLED數(shù)字顯示、鋰電池充電管理電路等，具有體積小、可現(xiàn)場充電、方便攜帶、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。測量結(jié)果經(jīng)過軟件濾波提高準(zhǔn)確度，可以實(shí)時(shí)存儲數(shù)據(jù)及時(shí)間，提高監(jiān)測效率，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

[1] 李佳列, 丁國清，顏國正，等. 基于光電原理的數(shù)字式水平儀研制[J]. 計(jì)量技術(shù), 2001 (10): 17-20.

[2] 成 曙, 魏旭剛, 牛余朋, 等. 一種高精度數(shù)字水平儀[J]. 兵工自動化, 2009, 28(3): 59-61.

[3] 李佳列, 顏國正. 一種新型數(shù)字式水平儀: 原理與實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2001, 14(3): 191-195.

[4] 袁紅星, 賀安之, 王志興. 用 PSD 構(gòu)成全方位高準(zhǔn)確度數(shù)字水平儀[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 1999,20(5):517-518.

[5] 肖 茜,陳 慶.基于ADXL345的超低功耗傾角測量儀的設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù),2014,16(10):3923-3925.

[6] 于 瑋, 封維忠, 武建軍. 基于 MEMS 加速度傳感器的數(shù)字水平儀[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2011 (1): 24-26.

[7] 郭 敏，尹光洪，田 曦，等.基于三軸加速度計(jì)的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2010，38(8):173-177.

[8] 周樹道, 金永奇, 衛(wèi)克晶, 等. 采用卡爾曼濾波算法的 MEMS 器件姿態(tài)測量[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015, 34(2): 38-42.

[9] 成 曙,魏旭剛,牛余朋,等.一種高精度數(shù)字水平儀[J].兵工自動化,2009,28(3):59-61.

[10] 劉 鵬，盧潭城，呂愿愿，等.基于MEMS三軸加速度傳感器的摔倒檢測[J].傳感技術(shù)學(xué) 報(bào),2014,27(4):570-574.

[11] 許繼平，李景濤，彭 森，等.基于三軸加速度傳感器的老年人摔倒檢測系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真,2014, 31(12): 434-437.

[12] 宋海賓,楊 平,徐立波.MEMS傳感器隨機(jī)誤差分析及處理[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(12):1720-1723.

[13] 陳天華，張小馳，許繼平，等.基于三軸加速度傳感器和電子羅盤的人體摔倒監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 測控技術(shù),2015,34(2):16-19.

[14] 章 超.基于MEMS傳感器的救災(zāi)人員安全監(jiān)測終端設(shè)計(jì).[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[15] 姜 笛，張 科.基于MSP430單片機(jī)的立方星OBC板設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(8):58-60.

[16] 王建勛, 周青云. 基于 DS18B20 和 LabVIEW 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012， 31(3): 47-50.

Digital Leveling Instrument Based on MEMS Gravitational Tests

ZHANGXiu-zaia,b,c,CHENPeng-xina,WUHua-juana

(a. School of Electronic & Information Engineering; b. Jiangsu Collaborative innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET)；c. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network；Nanjing University of Information Science & Technology； Nanjing 210044, China)

In order to achieve high accuracy measurement of the horizontal angle and the angle between the two intersecting planes, this paper designs a new, high-precision and low-power digital gradienter based on MEMS three-axis accelerometer and MSP430F149 micro-controller. The system calculates the level obliquity by detecting gravitational acceleration component on each of the space three axes, and overcomes the shortcoming of two-axis accelerometer when dealing with space obliquity detection. The system achieves the real-time temperature through measurement and has the function of temperature compensation for level obliquity detected. The system uses OLED to display angle (radian, slope), temperature and time and uses E2PROM to save measured data. According to the test results, the system has a high measurement accuracy and has some certain practical significance.

digital gradienter; gravity detection; three-axis accelerometer; temperature compensation

2015-05-11

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB510019， 14KJB120007) ；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(13KJA510001)；高?？蒲谐晒a(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工程項(xiàng)目(JHB2012-9)；江蘇省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(BK20141004);江蘇省信息與通信工程優(yōu)勢學(xué)科人才資助教研課題

張秀再(1979-)，男，江蘇沛縣人，副教授，現(xiàn)主要從事測控技術(shù)研究。 Tel.:13914728366； E-mail: xz_zhang@nuist.edu.cn

TP 23

A

1006-7167(2016)03-0051-05