昝鷺鷥+肖長天+劉超峰+胡繼煌

摘 要：角度的測量應(yīng)經(jīng)應(yīng)用到很多方面。例如：無人機（植保機，穿越機等），農(nóng)業(yè)機械，輪船，汽車，自動售貨機，機器人，太陽能電站。也就是說角度的測量對于我們的生活還是科研都有應(yīng)用，同時也體現(xiàn)出角度測量的重要性?，F(xiàn)在工業(yè)上測量角度的儀器有電子羅盤，NAL24R激光水準儀，DSO3高精度水準儀等。現(xiàn)在我為大家提供一個簡單，便宜的方法，那就是使用加速度計ADXL345+水銀開關(guān)測量角度的方法。

關(guān)鍵詞：角度測量；加速度計；水銀開關(guān)

ADXL345是ADI公司于2008年推出的采用MEMS技術(shù)具有SPI和I2C數(shù)字輸出功能的三軸加速度計，具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點：它只有3 mm×5 mm×1 mm的外形尺寸，面大小相當(dāng)于小拇指指甲蓋的1/3；在典型電壓VS=2.5 V時功耗電流約為25～130μA，比先期采用模擬輸出的產(chǎn)品ADXL330功耗典型值低了約70～175μA；最大量程可達±16 g，另可選擇±2、±4、±8 g量程，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，該分辨率可測得0.25的傾角變化[1]。

ADXL345提供一些特殊的運動偵測功能，可偵測出物體是否處于運動狀態(tài)，并能敏感出某一軸向加速度是否超過了用戶自定義門限，可偵測物體是否正在跌落。此外，還集成了一個32級FIFO緩存器，用來緩存數(shù)據(jù)以減輕處理器的負擔(dān)。ADXL345可在傾斜敏感應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，也可在運動甚至振動環(huán)境中測量動態(tài)加速度，非常適合于移動設(shè)備應(yīng)用，可望在手機、游戲和定位設(shè)備、微小型導(dǎo)航設(shè)備、硬盤保護、運動健身器材、數(shù)碼照相機等產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。ADXL345 豐富的功能是通過使用寄存器來實現(xiàn)的。這些豐富的寄存器，用以選擇數(shù)據(jù)格式、FIFO工作模式、數(shù)字通信模式、節(jié)電模式、中斷使能以及修正各軸偏差等等[2]。

常用的寄存器有：

（1）POWER_CTL，用來設(shè)定供電模式，與BW_RATE配合，可設(shè)定數(shù)據(jù)率，默認值為100Hz。ADXL345正常供電情況下，能根據(jù)輸出數(shù)據(jù)率大小自動調(diào)節(jié)其功耗。如果要進一步降低功耗，將BW_RATE寄存器中的LOW_POWER位置位，進入低功耗模式。

（2）DATA_FORMAT，該寄存器的設(shè)置影響著DATAX0DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)格式。DATA_FORMAT該8位寄存器可控制6項設(shè)置， 通過設(shè)置SPI位可設(shè)定SPI是采用3線還是4線接口模式，F(xiàn)ULL_RES位與RANGE位，用于設(shè)定加速度量程和對應(yīng)的分辨率模式，SELF_TEST位用于自檢[ ]。

（3）FIFO_CTL，設(shè)置緩存器具體的工作模式，比如Bypass、FIFO、Stream、Trigger模式，各種模式區(qū)別如下：在Bypass 模式中，F(xiàn)IFO 緩存器是退化的，僅FIFO[0]存儲一次采樣結(jié)果，無論是否被讀取，新數(shù)據(jù)到來時將舊數(shù)據(jù)覆蓋；在FIFO 模式中，F(xiàn)IFO 緩存器不停地收集數(shù)據(jù)直到緩存器滿，此時如果沒有及時讀數(shù)據(jù)，新到樣本數(shù)據(jù)將被丟棄，而當(dāng)FIFO 被讀取后，它將繼續(xù)收集新到數(shù)據(jù)；在Stream模式中，F(xiàn)IFO緩存器不停地收集數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存器滿，自動丟棄FIFO[0]，其他樣本值向前移位填充，最新數(shù)據(jù)填入FIFO[31]；在Trigger模式中，F(xiàn)IFO 開始工作與Stream 模式類似，收集樣本值直到FIFO緩存器滿，然后丟棄最舊的數(shù)據(jù)，一旦觸發(fā)事件發(fā)生（由FIFO_CTL寄存器中TRIG_SOURCE位所定義），F(xiàn)IFO將保留最后n采樣值（其中n在FIFO_CTL寄存器中指定），然后像FIFO模式一樣運行，即FIFO不滿時，繼續(xù)收集新的樣本值。

（4）INT_MAP、INT_ENABLE，ADXL345為事件驅(qū)動提供兩個中斷輸出引腳：INT1、INT2。所有的中斷功能，例如DATA_READY、FREE_FALL、OVERRUN等等，均可同時使用，唯一的限制是有一些功能可能會共享中斷引腳。

（5）OFSX、OFSY、OFSZ，用來存放標(biāo)定的X、Y、Z軸的偏移量，初始化傳感器時使用

在有些領(lǐng)域也用到加速度計ADXL345測量角度，在靜態(tài)測量角度時，只用加速度計ADXL345就可以了。但是在動態(tài)測量中，只用加速度計是不行的。這就要分析靜態(tài) 下，使用加速度計ADXL345測量角度的原理了。

靜態(tài)下加速度計ADXL345測量角度的原理：（加速度計的Z軸與重力方向平行，X軸由水平勻速轉(zhuǎn)動到某個角度，待加速度計穩(wěn)定后，開始測量角度）使加速度計僅在重力的作用下根據(jù)正切關(guān)系和X軸上加速度的正負通過算法來計算X軸旋轉(zhuǎn)的方向至于角度是在測得轉(zhuǎn)向后再通過算法算出角度。測出的角度有正負之分，這與加速度計X軸轉(zhuǎn)動方向有關(guān)，不同的轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的算法是不用的。但是這種方法成立的關(guān)鍵是重力的方向始終一定，即豎直向下。這樣旋轉(zhuǎn)角的正負才有一個基準，即重力的方向。只有弄清正負即轉(zhuǎn)動方向才能正確的選擇算法，這樣算出的角度才是真值[ ]。

但是在動態(tài)測量角度（角度是不斷變化的）時，會有其他因素影響角度的測量。例如測量車輛在爬坡時的角度變化：車輛在爬坡時在行進方向的加速度不是常量。由于有額外的加速度，在使用上述的方法就行不同了，因為X方向上的值是重力和車子加速度的合矢量，算出的旋轉(zhuǎn)角就和真正值有很大的偏差。（加速度計ADXL345的Z軸與重力方向平行，X軸與車輛前進方向平行。）

綜上，在動態(tài)測量角度時會以為有車輛的加速度的存在，使得加速度計不是在僅受重力的情況下測量動態(tài)角度的，以至于加速度計ADXL345不能正確的轉(zhuǎn)向，只要我們將車輛轉(zhuǎn)向通過其他裝置測得，在應(yīng)用相對應(yīng)的算法就可以得到車輛正確的轉(zhuǎn)動角度。

正確測量轉(zhuǎn)向是準確測量動態(tài)角度的關(guān)鍵。對于轉(zhuǎn)向的測量我們可以用到水銀開關(guān)。水銀開關(guān)水銀開關(guān)，又稱傾側(cè)開關(guān)，是電路開關(guān)的一種，以一接著電極的小巧容器儲存著一小滴水銀，容器中多數(shù)為真空或注入惰性氣體。

水銀開關(guān)的原理：

因為重力的關(guān)系，水銀水珠會向容器中較低的地方流去，如果同時接觸到兩個電極的話，開關(guān)便會將電路閉合，開啟開關(guān)。容器的形狀亦會影響水銀水珠接觸電極的條件，例如郵包炸彈使用的會是倒 V 字型的，令收件人在不知情的情況下傾側(cè)郵包，閉合電路，制動爆炸，但送件人（或是郵包攜帶者或制造者）則不會。注意：水銀對人體及環(huán)境均有毒害，因此使用水銀開關(guān)時，請務(wù)必小心謹慎，以免破出；在不再使用時，也應(yīng)該妥善處理。

采用兩個水銀開關(guān)，分別傾斜的放在以加速度計為中心X軸和Z軸組成坐標(biāo)系的三四象限，當(dāng)加速度計水平放置時，水銀開關(guān)都不會處于開啟狀態(tài)，當(dāng)加速度計向X軸正向旋轉(zhuǎn)是，一個水銀開關(guān)開啟（另一個水銀開關(guān)閉合）；當(dāng)加速度計向X軸負向旋轉(zhuǎn)時，另一個開關(guān)開啟，這樣我們將兩個水銀開關(guān)的一端接入高電平，另一端分別接入不同的測量口，這樣我們就可以根據(jù)這兩個輸入口不同的高低電平組合，就可以準確測得轉(zhuǎn)向。

角度的測量：

通過水銀開關(guān)測出被測物的旋轉(zhuǎn)方向，在根據(jù)加速度計測出三個方向的加速度，我們利用三角函數(shù)關(guān)系就可以計算出被測物當(dāng)前位置相對于豎直方向的夾角大小和方向，這樣我們就可以正確測出被測物每一時刻的動態(tài)角度。再通過顯示裝置就可以顯示出來。

參考文獻：

[1]鄭長勇，陳軍寧.一種新型MEMS加速度計溫度補償方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2015（1）：39-42.

[2]袁西.陳棟.田湘.等.三軸數(shù)字加速度計ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2010，18（3）：138-140.

[3]鄧亞軍.成守沖.微小型加速度計的精密裝配及影響性能的因素研究[J].工程技術(shù)：文摘版：00099-00099.

[4]宋振.高國偉.多傳感器融合在傾角測量抗振動中的應(yīng)用[J].傳感器世界，2014，20（5）：14-19.

作者簡介：

昝鷺鷥；1995年11月18日；男；漢族；天津市人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機械工程；

肖長天；1997年7月4日；男；漢族；湖北省人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機械工程；

劉超峰；1996年2月1日；男；漢族；河南人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機械工程；

胡繼煌；1996年11月17日；男；漢族；湖南人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機械工程；