新型便携式倾角传感器设计

第３４卷第９期　２０１２年Ｏ９月　武汉工程大学学报　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．　２０１２　Ｊ．　Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．　文章编号：１６７４—２８６９（２０１２）０９—００７５—０４　新型便携式倾角传感器设计　王利恒，李联中，王祥力，王斯宁　（武Ｘ－Ｔ－程大学电气信息学院，湖北武汉４３０２０５）　摘要：针对传统测角仪器采用分体设计，具有体积庞大、读数困难的问题，设计了一种新型的便携式倾角传　感器．利用Ｃ８０５１单片机的Ｐ２．０口采集传感器的输出电压，经过单片机自带的模数转换模块进行模数转换，　转换后的数字量首先通过一次平均值滤波处理，然后将其转化为角度，最后通过液晶显示器输出测量角度，　同时还设计了ＲＳ－２３２通信模块，用于和上位机进行通信．系统采用了模块化设计的思想，具有重量轻、体积　小、电池供电、使用方便等特点．实验结果表明：在０—９０。的范围内，系统的最小分辨率为０．１。，灵敏度为　０．０２　Ｖ／。，具有比较好的重复性和线性度．　关键词：Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机；加速度传感器；数据采集；倾角传感器　中图分类号：ＴＰ３６８　文献标识码：Ｂ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—２８６９．２０１２．０９．０１７　０　引　言　倾角传感器用来测量仪器相对于水平面的倾　角，在航空航天¨ｊ、太阳能－２　Ｊ、自动调平仪　Ｊ、军　口．另外还配置了ＲＳ－２３２信号通信模块，系统可　以通过该模块进行数据传输，实现与上位机的通　讯．电路系统设计采用了模块化设计的方法，系统　结构如图１所示．经过分析将倾角传感器分为以　下６个主要模块：传感器敏感元件模块、电源供电　模块、Ａ／Ｄ转换模块、微处理器模块、显示模块和　事　Ｊ、高精密科学设备等方面都具有重要的地　位．传统的倾角传感器以其可靠性强、测量精度　高，在水平、垂直度检测以及角度测量领域占有重　要的地位，已经作为配套仪器在许多专业领域得　到广泛的应用．但在比较恶劣的环境条件以及无　ＲＳ－２３２信号传输模块．　市电供应状态下，该类传感器产品不能进行测量　工作．因此，研究可适应恶劣环境以及小体积、轻　晖　犟嘤至　电源模块　重量、电池供电、使用方便灵活的倾角传感器产品　成为一个亟待解决的问题．笔者设计了一种基于　图１系统结构　Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机的倾角测量系统，经过实验验　证，该倾角传感器的最小分辨率为０．１。，其重复性　和线性度都比较理想，可以应用在各种高精度仪　器的调平与角度测量系统中，具有很高的应用　价值．　１．１传感器敏感元件模块　ＳＣＡ６０Ｃ是芬兰ＶＴＩ科技公司推出的一种分　辨率高、噪声低、稳定性好、抗冲击能力强的单轴　倾角传感器芯片．该芯片可用来测量物体是否处　于水平、垂直位置或与水平成一定的角度，它实际　上是一个加速度计，其内部由敏感元件、测量电　路、增益放大和滤波模块组成，它通过测量地球引　１　电路系统方案　倾角传感器敏感元件ＳＣＡ６０Ｃ的输出电压信　号与角度成正弦关系变化，通过模数（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　力在测量方向上的分量，将其转换为倾斜角度．采　用公式（１）将角度转化为模拟输出量：　ｖｏ　＝Ｉ，ｓｓｉｎａ＋　（１）　Ｄｉｇｉｔａｌ，以下简称：Ａ／Ｄ）转换将其转变为数字信号　并将数字信号传送人微处理器Ｃ８０５　１　Ｆ３　１０中进行　滤波、限幅、角度化等处理，使之变为对应的角度　实时信号，通过显示模块进行显示以实现人机接　收稿日期：２０１２－．０５．１３　式（１）中：　为角度敏感元件输出电压；　为输入　角度；　为模块在水平位置时的输出电压（输出值　基金项目：湖北省自然科学基金项目（２０１０ＣＨＢ０１３０１）；武汉工程大学科学研究项目（１５１０６０３２）　作者简介：王利恒（１９７３一），湖北武穴人，副教授，博士，硕士研究生导师．研究方向：检测技术及智能仪表　７６　武汉工程大学学报　第３４卷　一般为２．５Ｖ）；Ｖｓ为模块的灵敏度（其灵敏度为每　重力加速度２　Ｖ）．为了得到更好的精确度，应使用　实际输出值代替通常值．该传感器反应灵敏，在较　小的角度范围内，其倾斜所产生的电导信号与实　际角度成很好的线性关系，利用此原理可以实现　精确的角度测量．传感器对温度变化的响应不灵　敏，因此温度变化对测量精确度产生的影响　很小　．　１．２电源供电模块　为了给电路中的倾角传感器ＳＣＡ６０Ｃ和通信　转换芯片ＭＡＸ２３２ｃｅｐ提供＋５Ｖ电压，笔者采用了　ＬＭ７８Ｉ￣５ＡＣＺ稳压芯片，通过此芯片可以为系统　提供稳定的＋５Ｖ电压，电源采用９Ｖ干电池．为了　给Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机提供＋３．３Ｖ电压，笔者采用　了ＡＭＳ１１１７芯片，通过此芯片可以为单片机提供　稳定的＋３．３Ｖ电压．考虑到选取的电源变换芯片　属于开关电源芯片，输出端处有较大的纹波，因此　需要在电压输出端外接适当的旁路滤波电容，以　消除电源输出纹波对系统中元器件的干扰　Ｊ，设　计电路如图２所示．　１ｌ，　ＡＭＳｌｌ１　７　图２电源模块　Ｆｉｇ．２　Ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｍｏｄｕｌｅ　１．３微处理器模块　本电路采用了以Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机为核心的　微处理器主控模块单元．Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机应用　非常广泛，有较多的源程序代码可以借鉴，从而减　少了工作量，缩短了开发时间．Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机　具有８　１０２４字节的程序存储器，其提供的程序　存储器以其较大的容量和方便灵活的输入输出接　口受到广大工控设计人员的青睐　Ｊ．　１．４　Ａ／Ｄ转换模块　选择了模拟信号以后，要把模拟信号转换成　微处理器可以识别的数字信号，必须采用模数转　换．本系统的模拟信号为电压信号，通过模数转换　以后，每一个角度对应的电压值都被转化为唯一　确定的二进制数字量信号，这个数字量是微处理　器可以识别处理的信号．　Ｃ８０５１Ｆ３１０单片机的模数转换器（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，以下简称：ＡＤＣ）集成了两个２５　通道模拟多路选择器和一个每秒采样２００千次的　１Ｏ位逐次逼近型ＡＤＣ．ＡＤＣ可以工作在单端方式　或差分方式，模拟多路选择器选择去ＡＤＣ的正输　入和负输入，Ｐ１．０一Ｐ３．４和ＧＮＤ中的任何一路都　可以被选择为负向输入，Ｐ１．０一Ｐ３．４、片内温度传　感器输出和正电源中的任何一路都可以被选择为　正向输入，如图３所示．只有当ＡＤＣ控制寄存器中　的ＡＤＯＥＮ位被置‘１’时，ＡＤＣ子系统才能启动；　当ＡＤＯＥＮ位被置为‘０’时，ＡＤＣ０子系统处于关　闭方式．当ＧＮＤ被选择为负输入时，ＡＤＣ工作在　单端模式下；在所有其它模式下，ＡＤＣ工作在差分　模式．ＡＤＣ的输入通道是通过调整寄存器ＡＭＸＯＰ　和ＡＭＸＯＮ的值来实现的．每次转换结束后，在寄　存器ＡＤＣＯＨ和ＡＤＣＯＬ中保存ＡＤＣ转换结果的　高字节和低字节．在本设计中，笔者采用了单端工　作模式，选择Ｐ２．０端口为ＡＤＣ模块的正输入，　ＧＮＤ为ＡＤＣ模块的负向输入．　图３　Ａ／Ｄ模块　Ｆｉｇ．３　Ａ／Ｄ　ｍｏｄｕｌｅ　１．５　ＳＭＣ１６０２Ａ液晶显示模块　液晶显示器具有体积小、功率低、显示内容丰　富、超薄轻巧等诸多优点，因而在各种仪表和低功　耗应用系统中得到越来越广泛的应用．设计中采　用常用的２行１６个字的ＳＭＣ１６０２Ａ液晶模块来　显示测量角度．ＳＭＣ１６０２Ａ液晶模块与单片机的连　接图如图４所示．　单片机Ｐ１口与ＳＭＣ１６０２Ａ液晶模块的数据　口连接，用于传输数据和命令．Ｐ２口分别控制ＲＳ、　Ｒ／Ｗ和使能端Ｅ．ＲＳ为数据／命令选择端，高电平　时传递数，低电平时传递指令．Ｒ／Ｗ为读写控制　端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作．　当ＲＳ和Ｒ／Ｗ共同为低电平时，可以写入指令或　者显示地址；当ＲＳ为低电平且Ｒ／Ｗ为高电平时，　可以读取忙信号；当ＲＳ为高电平且Ｒ／ｗ为低电　平时，可以写入数据．Ｅ为使能端，当Ｅ由高电平　第９期　Ｃ８０５１Ｆ３１　０　ｐ２　２　王利恒，等：新型便携式倾角传感器设计　ＳＭＣ１６０２Ａ　Ｒ，Ｗ　７７　块、Ａ／Ｄ转换器初始化模块、Ａ／Ｄ转换器采集数据　ｐ２　１　ｐ２　ｏ　Ｐ１　ｏ　Ｐ１　１　ＲＳ　Ｅ　Ｄ０　０１　并送交单片机模块、向液晶模块传送数据并显示　模块、ＲＳ．２３２数据传输模块．软件流程图如图６所　示，具体的程序代码在此不再赘述．　５Ｖ　ＶＤＤ　Ｐ１　２　Ｐ１　３　Ｐ１　４　Ｐ１　５　Ｄ２　Ｄ３　Ｄ４　Ｄ５　ＶＬ　开始　Ｐ１　６　Ｄ６　ＶＳＳ　墓　Ｐ１　７　Ｄ７　图４　单片机与ＳＭＣ１６０２Ａ液晶模块连接图　Ｆｉｇ．４　ＳＣＭ　ａｎｄ　ＬＣＤ　ｍｏｄｕｌｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　跳变成为低电平时，液晶模块执行命令．Ｄ０一Ｄ７　为８位数据线．ＶＬ为液晶模块的对比度调整端，　接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比　度过高时会产生“鬼影”，可以通过一个１０千欧的　电位器调整对比度．　１．６　ＲＳ－２３２通信模块　系统还提供了与上位机通讯的ＲＳ．２３２模块，　因此需要将单片机ＴＸＤ端口输出的晶体管一晶体　管逻辑电平转换为上位机可接收的ＲＳ．２３２电平　信号．在ＲＳ．２３２通信模块中，主控芯片选用的是　ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ２３２ＣＰＥ芯片．此芯片可以将　晶体管．晶体管逻辑电平转换成ＲＳ．２３２电平，也可　以将ＲＳ－２３２电平转换成晶体管．晶体管逻辑电平，　属于双向驱动接收器＿８　Ｊ．系统通过此芯片作为与　上位机相连接的处理单元，将系统信号数据传送　到上位机中，用户可以在ＲＳ－２３２协议允许的距离　内通过上位机采集倾角传感器系统的数据，也可　以方便的利用此数据来进行后向处理，电路如图５　所示．　图５　ＲＳ一２３２通信模块　Ｆｉｇ．５　ＲＳ一２３２　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　２软件设计　软件设计也采用了模块化设计的原理．将实　现各个功能的模块程序做成子程序，然后在主程　序中进行调用．根据水平倾角测量仪系统的需要，　分为以下５个子模块：单片机输入输出初始化模　Ｉ　兰　进入中断读取　Ａ　Ｉ）　转换数据　液晶模块初始化　滤波、角度化处理　ＡＤＣ｛＝）１姝化　定时器２初始化　ＲＳ２３２数据传输Ｉ　ｌ液晶显示　定时５０　Ｉ１１ｓ　图６软件流程图　Ｆｉｇ．６　Ｆｌｏｗ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｒｏｇｒａｍ　３　实验验证　为了测试系统的性能，利用角度发生器设置　仪器倾斜角度，每倾斜１。记录一次数据，在０—９０。　范围内正反各做一次测试并记录，最后得到两组　数据，如表１所示．由此可对传感器进行重复性和　线性度测试．由于使用最小二乘法拟合直线可使　拟合精度最高，所以采用最小二乘法拟合直线．拟　合直线方程为：Ｙ＝Ｘ十０．１８１，系统的线性度为：　Ａｒｎａｘ／】，Ｆｓ＝０．２７９／９０＝０．００３１（Ａｍａｘ为实际特性　曲线与拟合直线的最大偏差，】，Ｆ　为传感器满量程　输出）．最小分辨率为０．１。，灵敏度为２／９０　０．０２　＼｝，ｑ，　表１系统性能测试　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　正行程　反行程　标准角度／。————　测量角度／。绝对误差／。测量角度／。绝对误差／。　４　结　语　笔者设计的新型便携式倾角传感器系统通过　７８　武汉工程大学学报　第３４卷　电源管理模块改变了电源的供电方式，实现了干　杨兴瑶，刘行景．高精度电子倾角传感器及其在自动　调平仪中的应用［Ｊ］．江苏机械制造与自动化，１９９４，　（６）：３４—３５．　电池供电；通过微处理器主控单元控制了显示、　ＲＳ－２３２数据传输等方式的人机接口，改造了原有　传感器产品只具备模拟量输出的接口方式，缩小　了产品体积，机体外壳采用长方体形状，机体外壳　长×宽×高＝１２０ｍｍ×８０ｍｍ×４０ｍｍ，安装板测量　面长×宽×高＝１１０ｒａｍ×６０ｍｍ　Ｘ　３５ｍｍ．本机的结　构外形尺寸比原有的一体化结构的传统仪器要小　郭俊岑，周浚哲，唐健．基于单片机的坦克火控调试　台自动调平系统研究［Ｊ］．沈阳理工大学学报，２００６，　２５（３）：７１－７３．　谭青．自动调平系统在防空炮火中的应用［Ｊ］．武器　装备自动化，２００４，２３（４）：１０—１１．　Ｃｈｅｎｇ　Ｙ，Ｗｉｎｔｅｒｔｌｏｏｄ　Ｊ，Ｊｕ　Ｌ，ｅｔ　ａ１．Ｔｉｌｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ　ｗａｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　许多，其体积比文献［９］中的体积更小，更便于携　带．倾角传感器技术的应用给水平倾角测量领域　提供了更多新的选择，满足工业现场对角度测量　的广泛应用需求．　参考文献：　［１］　卢卫平，黄鸣丰，孙永荣．倾角传感器在太阳能跟踪　系统中的应用研究［Ｊ］．现代电子技术，２０１２，３５　１Ｊ　［Ｊ］．Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｇｒａｖｉｔｙ．２００１，７（１０）：１７２３－１７２９．　Ｌｅｅ　Ｙ　Ｙ，Ｌａｉｎ　Ｋ　Ｃ，Ｙｕｅｎ　Ｋ　Ｋ．Ａｃｔｉｖｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａｌｌ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｃａｂｉｎ　ｐａｎｅｌ　ｕｓｉｎｇ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｔｏｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，２００３，３（１）：１３１—１４１．　Ｃｈｅｎ　Ｙ　Ｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｉｌｔ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　Ｈｕｍａｎ—Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｍｏｕｓｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　Ｐｅｏｐｌｅ　Ｗｉｔｈ　Ｄｉｓａｂｌｉｔｉｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，　２００１，９（３）：２８９—２９４．　（１）：１２９—１３１．　●Ｊ　刘军胜，左谨平，高菁基．基于单片机的便携角度测　］ｊ　１Ｊ　１ｊ　１Ｊ　１Ｊ［２］　李晓红．基于单片机的卫星天线自动定位控制系统　开发与研究［Ｄ］．上海：华东师范大学，２００８．　量仪［Ｊ］．电子技术，２００８，４５（４）：２９—３２．　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｎｅｗ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｔｉｌｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｌｉ・ｈｅｎｇ，ＬＩ　Ｌｉａｎ－ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｎｇ－　，ＷＡＮＧ　Ｓｉ－ｎｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３０２０５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｈｕｇｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｄａｔａ　ｄｉｉｃｕｌｆｔｌｙ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｉｌｔ　ｓｅｎｓｏｒ，ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｉｎｃｌｉｎｏｍｅｔｅｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗａｓ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｖｉａ　ｐ３．３　ｐｏｒｔ　ｂｙ　Ｃ８０５　１　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗａｓ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｔｏ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｏｒｍ　ｂｙ　ｄｉｇｉｔａｌ　ａｎａｌｏｇ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ　ｗａｓ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｂｙ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｙ　ａｆｔｅｒ　ａｖｅｒａｇｅ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．ＲＳ－２３２　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｉｎｃｌｉｎｏｍｅｔｅｒ　ｈａｓ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｗｅｉｇｈｔ，ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅ，ｂａｔｔｅｒｙ－ｐｏｗｅｒｅｄ，ｅａｓｙ－　ｔｏ－ｕｓｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｍｏｄｕｌａｒ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　０．１。ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　０—９０。，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　０．０２　Ｖ／。，ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｉｎｅａｒｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃ８０５　１　Ｆ３　１０　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ａｎｇｌｅ　ｓｅｎｓｏｒ　本文编辑：苗　变　☆　文章撤销声明　２０１２年第３期发表的文章“快速计算浓缩立方体的方法”，根据２０１２年９月１２日由武汉工程大学学　报编委会讨论通过的“学术不端论文的声明撤销制度”中的２．６条规定，本刊声明撤销该论文，并请相关　数据库协助撤销．　《武汉工程大学学报》编辑部