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(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在我們的日常生活和生產(chǎn)中，現(xiàn)在利用加速度傳感器技術(shù)也生產(chǎn)出了各種各樣的傳感器，基于傳感器的飛速發(fā)展，相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用也逐漸多了起來(lái)。目前傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，發(fā)展迅猛，許多國(guó)家將傳感器技術(shù)列為與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)同等重要的位置[1]，被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，在很多情況下都需要測(cè)量一個(gè)設(shè)備的傾斜程度，越來(lái)越多的超高精密的儀器及設(shè)備都離不開(kāi)傾角儀對(duì)其角度的測(cè)量[2],如各種車(chē)輛、船舶、火炮及武器平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量[3]?，F(xiàn)今各行業(yè)測(cè)量設(shè)備的傾角程度，測(cè)量的工具還沿襲的是水泡式水平尺，測(cè)量者僅憑肉眼目測(cè)，無(wú)法準(zhǔn)確得到當(dāng)前設(shè)備的傾斜程度，這就給觀測(cè)設(shè)備留下了隱患，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。所以，針對(duì)以上問(wèn)題，利用加速度傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)傾角測(cè)量設(shè)備是必不可少的，也是發(fā)展的趨勢(shì)。它的作用相比于傳統(tǒng)的傾角測(cè)量方法體現(xiàn)得尤為突出，研發(fā)人員通過(guò)此技術(shù)研發(fā)出的傾角儀能夠更方便快捷地測(cè)量設(shè)備傾角問(wèn)題，提高了工作效率，保證了傾角測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)加速度傳感器技術(shù)的論述，證實(shí)了加速度傳感器技術(shù)在測(cè)量設(shè)備傾角中的可靠性。

1 傾角測(cè)量系統(tǒng)的硬件概述

該傾角測(cè)量系統(tǒng)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(bào)警模塊六個(gè)模塊組成。

主控模塊為核心控制系統(tǒng)，以單片機(jī)作為微控制器，主控系統(tǒng)可以讓其他的模塊可以連通成為一個(gè)整體系統(tǒng)，通過(guò)編程后，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制傾角測(cè)量的目的。

傳感器模塊利用加速度傳感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，加速度傳感器隨著被測(cè)物體的變化，經(jīng)過(guò)單片機(jī)中計(jì)算公式的處理，并自動(dòng)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后在算法下轉(zhuǎn)化為數(shù)值角度，利用加速度傳感器測(cè)得角度值為主控系統(tǒng)提供信息采集數(shù)據(jù)。

電源模塊為其它系統(tǒng)輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓。

傾角顯示模塊為主控系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)置角度報(bào)警值的上下限，傾角報(bào)警系統(tǒng)對(duì)設(shè)置的角度值是否超過(guò)上下限進(jìn)行報(bào)警。

1.1 主控模塊

主控模塊即單片機(jī)最小系統(tǒng)，是整個(gè)電路的控制中心，其中包含了單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路。目前，市場(chǎng)上能實(shí)現(xiàn)功能的單片機(jī)非常多，該系統(tǒng)中單片機(jī)的基本保證要求具有強(qiáng)抗干擾、精度高和功耗低的特點(diǎn)，其功能為：（1）由于信號(hào)的采集需要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，則單片機(jī)內(nèi)部能進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換模塊；（2）還要實(shí)時(shí)控制溫度傳感器；（3）對(duì)數(shù)據(jù)的接收能實(shí)時(shí)進(jìn)行處理和傳輸。

單片機(jī)的晶振電路作用是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘。時(shí)鐘信號(hào)一般又分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，單片機(jī)所有的命令必須在時(shí)鐘信號(hào)控制下才能有序地進(jìn)行，單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)振蕩電路，只要在單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳外接一個(gè)石英晶體，就形成了自激振蕩器，而且在單片機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)要與單片機(jī)完全兼容。

復(fù)位電路的形式包括上電復(fù)位和按鍵復(fù)位，其作用是將單片機(jī)內(nèi)部各個(gè)電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個(gè)確定的初始值，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。

1.2 傳感器模塊

該傾角測(cè)量系統(tǒng)的加速度傳感器根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)可以進(jìn)行信息采集，信息采集系統(tǒng)將信息反饋給主控系統(tǒng)處理。加速度傳感器可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。

1.2.1 加速度傳感器技術(shù)

加速度傳感器是一種能夠反映出物體通過(guò)重力產(chǎn)生加速度的傳感器。加速度傳感器最重要的組成部分有質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等。傳感器在工作的過(guò)程中，其目的就是對(duì)物體所受的慣性力進(jìn)行測(cè)量，所獲得的加速度值是根據(jù)牛頓第二定律（F=mg）計(jì)算出來(lái)的?，F(xiàn)市場(chǎng)中有各種傳感器敏感元件不同的加速度傳感器，需要根據(jù)使用者的要求來(lái)選擇。加速度傳感器技術(shù)最常見(jiàn)的應(yīng)用就是對(duì)某物體的傾斜程度進(jìn)行測(cè)量，它以重力為輸入矢量來(lái)決定物體在空間所發(fā)生的變化。當(dāng)加速度傳感器在測(cè)量物體的傾斜程度時(shí)，水平發(fā)生改變，加速度傳感器的敏感軸的角度會(huì)變化，隨之也就發(fā)生重力作用，傳感器敏感軸上就會(huì)有加速度，因此可通過(guò)測(cè)量加速度的變化來(lái)計(jì)算出物體的水平變化。測(cè)量物體正交兩個(gè)軸向的傾角可以用歐拉角的形式代表坐標(biāo)系的變化，設(shè)OXYZ為定坐標(biāo)系，OX0Y0Z0 為動(dòng)坐標(biāo)系，起始時(shí)OXYZ 和OX0Y0Z0 重合，繞X 軸、Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為a、b 角，達(dá)到新位置OX0Y0Z0 軸。

其中OX0Y0Z0 為初始位置時(shí)加速度傳感器3 個(gè)軸向上的輸出信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)傳感器OX0Y0Z0 方向的加速度信息X、Y、Z，即可計(jì)算出物體的變化程度。

1.2.2 加速度傳感器技術(shù)特點(diǎn)

加速度傳感器技術(shù)是建立在微電子機(jī)械系統(tǒng)（ME MS）技術(shù)基礎(chǔ)上的，基于MEMS 技術(shù)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(yīng)用[4]。傳感器采集數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換將采集到的加速度數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)積分算法轉(zhuǎn)換為物體運(yùn)動(dòng)位移。對(duì)系統(tǒng)的使用效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度較高，控制在3%-4%之間，物體運(yùn)動(dòng)位移檢測(cè)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(zhuǎn)換為可用的輸出信號(hào)的傳感器，要求能夠精確的反應(yīng)儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)變化，尤其是基于MEMS 技術(shù)的加速度傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動(dòng)快、成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)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(jīng)可以滿足在大多數(shù)項(xiàng)目上的應(yīng)用。對(duì)于水平要求較高的設(shè)備則需要用到三軸加速度傳感器。對(duì)于一些簡(jiǎn)單設(shè)備的角度測(cè)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(tǒng)的功耗和電路的噪聲。

在傳感器刷新率上，每秒鐘傳感器會(huì)產(chǎn)生讀數(shù)的次數(shù)越多，說(shuō)明精度越高。簡(jiǎn)單設(shè)備的角度測(cè)量需要幾十HZ 的帶寬即可滿足，高水平精度設(shè)備需要一個(gè)上百HZ 帶寬的傳感器才能滿足。

在傳感器阻值上，對(duì)于需要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)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(jī)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(duì)物體發(fā)生的加速度變化會(huì)更敏感，輸出電壓的變化也越大越容易測(cè)量，測(cè)量的值也會(huì)更精確。但實(shí)際上傳感器的靈敏度越高，測(cè)量的范圍會(huì)越窄，靈敏度低測(cè)量的范圍會(huì)比較寬。所以在選擇傳感器的時(shí)候要根據(jù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品實(shí)際出發(fā)。

1.3 顯示模塊

傾角測(cè)量顯示模塊是由液晶顯示屏來(lái)完成的，主控模塊將處理好的數(shù)據(jù)信息反應(yīng)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(duì)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(yùn)用在大規(guī)模的集成電路當(dāng)中,可以直接驅(qū)動(dòng)和全彩色顯示等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用在非常多的領(lǐng)域。

1.4 電源模塊

該系統(tǒng)的電源模塊為整個(gè)傾角測(cè)量系統(tǒng)供電，電源可以選擇鋰電池，鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是可以使傾角測(cè)量系統(tǒng)更穩(wěn)定化和微型化。由于各個(gè)模塊對(duì)電壓的需求不同，可以用轉(zhuǎn)換器以分級(jí)降壓的方式在電路中體現(xiàn)出來(lái)。

1.5 主控輸入和報(bào)警模塊

該傾角測(cè)量系統(tǒng)的主控輸入系統(tǒng)可以由三個(gè)按鍵組成，分別為設(shè)置鍵、調(diào)上限鍵、調(diào)下限鍵。在測(cè)量?jī)A角角度過(guò)程中，可對(duì)傾角測(cè)量?jī)x設(shè)置一個(gè)上下限值，系統(tǒng)默認(rèn)顯示的是當(dāng)前角度值，當(dāng)按下設(shè)置鍵時(shí)，顯示切換到角度上下限的顯示，調(diào)上限鍵作為調(diào)節(jié)角度上下限時(shí)的加一用，調(diào)下限鍵作為調(diào)節(jié)角度上下限時(shí)的減一用，調(diào)節(jié)完畢后再次按下設(shè)置鍵則返回當(dāng)前角度值顯示。報(bào)警功能主要是角度超過(guò)設(shè)定的上限報(bào)警值或低于設(shè)定的下限報(bào)警值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)采用的報(bào)警方式為聲光報(bào)警。聲報(bào)警用蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)，光報(bào)警采用發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 傾角測(cè)量系統(tǒng)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(bào)警范圍內(nèi)從而做出不同的判斷。

3.能進(jìn)行串口通信。

傳感器把采集到的物體姿態(tài)變化數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)對(duì)采集到的角度值進(jìn)行分析是否超過(guò)設(shè)定的上下限，若超過(guò)上下限，報(bào)警系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，并在顯示屏上顯示角度；若沒(méi)有超過(guò)會(huì)直接在顯示屏上顯示。

2.1 信息采集系統(tǒng)及串口通信程序

該系統(tǒng)中傳感器系統(tǒng)進(jìn)行信息采集并進(jìn)行加速度計(jì)算，由I2C 串行通信進(jìn)行寫(xiě)信號(hào)，然后將信號(hào)將發(fā)送至設(shè)備地址并發(fā)送讀取單元地址，發(fā)送完后I2C 串行通信進(jìn)行讀信號(hào)并且連續(xù)讀取加速度數(shù)據(jù)，直到讀完，I2C 串行通信停止信號(hào)。每個(gè)I2C 總線上的器件的地址唯一，主機(jī)就是通過(guò)尋找唯一的地址來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)主機(jī)為發(fā)送器的時(shí)候，器件接收數(shù)據(jù)，當(dāng)主機(jī)為接收器的時(shí)候，器件發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 液晶顯示系統(tǒng)程序

采集到的加速度會(huì)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)化為角度，顯示系統(tǒng)將角度值轉(zhuǎn)化為字符并調(diào)用LCD 字符顯示函數(shù)，最后在顯示屏上顯示出來(lái)。

要顯示的數(shù)據(jù)有：當(dāng)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(bào)警系統(tǒng)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(jī)處理時(shí)會(huì)進(jìn)行判斷角度值是否超過(guò)預(yù)定值，如果角度超過(guò)上下限，串口發(fā)送角度超限，通過(guò)蜂鳴器的聲音實(shí)現(xiàn)高于上限或低于下限的報(bào)警，同時(shí)發(fā)光二極管會(huì)發(fā)光。如果沒(méi)有超過(guò)上下限蜂鳴器不發(fā)聲，二極管不發(fā)光。

3 傾角測(cè)量系統(tǒng)的溫度誤差補(bǔ)償技術(shù)

由于實(shí)際運(yùn)用中對(duì)傾角測(cè)量系統(tǒng)的精度有非常高的要求，而本系統(tǒng)正是建立于MEMS 的傳感器上研究的。溫度不會(huì)造成傾角測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上的誤差，但是其內(nèi)部加速度的標(biāo)度因數(shù)和零點(diǎn)電壓會(huì)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(tǒng)精度的最大因素，建立傾角測(cè)量系統(tǒng)在靜態(tài)條件下進(jìn)行的溫度誤差補(bǔ)償方法可以減小誤差，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

4 傾角測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用

使用者在測(cè)量設(shè)備水平時(shí)，將傾角測(cè)量?jī)x放置在設(shè)備平面上，設(shè)備平面與儀器之間要光潔、平整，以免因外界因素影響測(cè)量值的精確。這里要注意在儀器放置好后，身體不要接觸設(shè)備平面，以防止頂蓋輕微變形引起測(cè)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?xí)敵鋈M數(shù)據(jù)：X 軸方向的角度，Y 軸方向的角度，Z 軸方向的角度，當(dāng)對(duì)某一個(gè)角度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，若顯示的數(shù)據(jù)為X：0，Y：0，Z：0，則說(shuō)明在這某一角度的平面是水平的，若輸出的某一坐標(biāo)軸要素顯示數(shù)值，則說(shuō)明設(shè)備是不水平的，正值代表此方向偏高，負(fù)值則相反。由此可判斷出設(shè)備是否水平或是否達(dá)到設(shè)備需傾斜的角度，對(duì)設(shè)備進(jìn)行人工調(diào)節(jié)后，儀器轉(zhuǎn)動(dòng)180°，按上述的水平測(cè)量方法進(jìn)行再次測(cè)量。如此反復(fù)，一直調(diào)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(shè)備在旋轉(zhuǎn)的情況下，儀器會(huì)受旋轉(zhuǎn)離心加速度和旋轉(zhuǎn)切向加速度的影響。傳感器和距旋轉(zhuǎn)中心的距離越小，旋轉(zhuǎn)離心加速度和旋轉(zhuǎn)切向加速度的影響則可以減小，所以測(cè)量?jī)x器要放在設(shè)備旋轉(zhuǎn)中心。