基于MEMS加速度传感器的数字水平仪 (1)
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
10 20 30 40 50 图 6 轴向加速度与倾角间的关系
近似曲线 (如图 6 所示 ) 不能同时满足局部最优和全局最优这 两个条件。但只要倾角不是太大 , 仍可以将误差控制在较小范围 内。线性近似的 K 值选取与倾角误差关系如表 1所示 [ 5] 。 表 1 K 值与最大误差的关系
倾角大小 / ( ) K /( ( ) 57 58 59 60 62 g- 1 ) 50 16 04 47 35 最大误差 / ( ) 0 0 0 1 2 02 16 48 13 24
图 2 倾角测量的数学模型
Y 轴上 , 且与水平面的夹角分别为
和 . 过 O 点向水平面作垂
线 OH, 再过 O 点向平面中的直线 AB 作垂线 , 交点为 C. 由几何 关系 知 , 传 感 器 所 在 的 平 面 OA B 与 水 平 面 的 夹 角 就 是 OCH [ 3- 4 ] 。
OCH = , OH = h, 则 , OA = OB, 所以
图 5 I2 C 程序流程图
= arcsin( Y _cal/g ) 式中 : X _ca l 、 Y _cal分 别表示 重力 加速度 在 X 轴和 Y 轴方 向上 分量 , 与倾角 ( - 90 ~ 90 ) 的关 系曲线如图 6 所示。当角 度变 化不大时 , 轴向加速 度与倾 角之 间几乎 是线 性关 系 , 故 考虑 线 性近似。其关系式可表示为
=K
X _ca l Y _ca l
注 : buff[ 0] 中是内部控制寄存器的值。 由于加速度传 感器的 输出 值只是 加载 在传 感器 2 个 轴上 的重力加速度分量对 应的计数值 , 所 以要输出倾 角还需要 进行 数据处理。首先 考虑正 负输 出 , 因为 M XC62025G 无 法输 出负 数 值 , 故通 过减 去一 个固 定的 偏移 量达 到正 负数 值输 出的 目 的。偏移量取最 大输出 值与 最小 输出值 之和 的一 半。下 面考 虑轴向加速度分量与 倾角间的关系。假 设 X 方 向的倾 角为 , Y 方向的倾角是 , 则输出信号与倾角大小存在以下关系 : X _ca l= g Y _ca l= g 即, sin sin
D igital Inclinom eter Based onM EM S A cceleration Sensor
YU W e,i FENG W e i zhong , WU Jian jun ( College of Information Sc ien ce and T echnology, N an jing Fore stry Un iversity, N an jing 210037, Ch ina) Abstract : Th is paper descr ibed a design so lution o f two d i m ensiona l and h igh precision dig ital inc lino m eter based on ther m al acce lerom eter . Starting from m athe m atical mode, l it ca lcu la ted the a lgo rithm of ang le m easure m ent . Outside interference cou ld be m in i m ized in the m ethod o f suppression by ha rdw are and filte ring by so ftware . A nd it so lved the prob lem that zero w as dr ifting w hen large ang les were measured . R esults show that the instrum ent can be used fo r va rious h igh prec is ion ang le measure m ent . K ey word s : M EM S; d ig ita l inc linom eter ; M CU; anti ja mm ing 0 引言 水平仪作为现 代工业 不可 缺少的 检测 工 具 , 在土 木工 程、 航空航海、 工业控制等领域有着广泛 应用 [ 1] 。传统的气 泡水平 仪误差较大 , 对于小角度精确测量 更是无能为 力。数字水 平仪 以其方便、 快捷、 精度高等特点 在该领域受 到越来越 多的关 注。 设计响应速度更 快、 抗干 扰能力 更强、 精度 更高 的数 字水 平仪 就成为该领域的 发展 方向。文 中介绍 了基 于 M EM S 技术 的小 型高精度数字水平仪 。 1 倾角测量原理 M XC62025G 是低功 耗、 双 轴加速 度传感 器芯片 , 可 以在 X 轴和 Y 轴 2 个 自由度 上测量恒 定或者 变化的 加速度。其 内部 加速度传感器部 分采 用热 对流技 术 , 结构如 图 1 所示 , 正 方形 硅片的中间有一个热 源 , 四周等间 距放置 4 个 热电偶。当 硅片 水平放置时 , 由于 四 周关 于热 源的 温度 梯度 是均 匀的 , 所 以 4 个热电偶的温度相同 , 输出电压相 同。反之 , 当硅片 倾斜时 , 四 周关于热源的温度梯 度不均匀 , 因而输出电压不同 [ 2] 。 设
图 1 加速度传感器内部结构
2 仪器设计 2 1 硬件电路设计 M XC62025G 采用 I2 C 接 口 , 量程 2 g , 在 25 、3 V 的条 件下 , 其灵敏 度为 512 计 数点 /g . 其 硬件连 接如图 3 所示 , 8 脚
倾角测量原理如 图 2 所示。线 段 OA 和 OB 分别在 X 轴和
= a rcsin( X _ca l/g )
26
Instrum ent T echn ique and Sensor 4 1 误差分析
Jan 2011
综 合考 虑正 负输 出和 线性 近似 后 , 采用 以下 数据 处理 方 法 , 得到两个轴向倾角数值。
X _Sen sit ivity= ( X _m ax- X _m in ) / 2 ; Y _Sen sit ivity= ( Y _m ax- Y _m in ) / 2 ; X _O ffset= ( X _ m ax+ X _m in) /2; Y _O ffset= ( Y _ m ax+ Y _m in) /2; X _ cal= ( datax- X _O ffset) /X _S ens it ivity ; Y _ cal= ( datay- Y _O ffset) /Y _S ens it ivity ; X _A ng le= K* X _ca; l Y _A ng le= K* Y _ca; l
2011 年 第 1期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrum ent T echn ique and Sensor
2011 No 1
基于 MEM S加速度传感器的数字水平仪
于 玮, 封维忠 , 武建军
210037 ) ( 南京林业大学信息科学技术学院 , 江苏南京
摘要 : 介绍了一种基于热对流式加速度传感器的二维高精度数字水平仪的设计 方案 。从 数学模型入手 , 推导了倾 角测量算法 。 采用硬件抑制 、 软件滤波的方法 , 最大限度地降低了外界干扰 , 解决了测 量大角度时 的零点漂 移问题 。 研究结果 表明 : 该 仪器可以进行多 种高精度的倾角测量 。 关键词 : M EM S; 数字水平仪 ; 微控制器 ; 抗干扰 中图分类号 : TP212. 9 文献标识码 : A 文章编号 : 1002- 1841( 2011) 01- 0024- 03
X 实际角度 30 20 10 5 0 -5 - 10 - 20 - 30 X 显示角度 27 257 16 270 0 129 - 4 836 - 11 849 - 16 942 - 22 627 - 32 657 - 39 857 Y 实际角度 30 20 10 5 0 - 5 - 10 - 20 - 30 ( ) Y 显示角度 30 119 19 989 10 179 5 246 0 000 - 5 011 - 9 382 - 20 895 - 29 826
h h , OB = . sin sin
因为 OA AB = OC =
OA 2 + OB 2 = OA OB = AB h = OC
s in2 + sin2 h sin sin
h s in2 + sin2
sin = 所以 ,
s in2 + sin2 sin2 + s in2
= arcsin
即 , 只要得到 2 个轴向倾角值就能求出平面真实倾角。
图 4 系统结构框图
2 2 软件设计 程序设计包括 I2 C 通信、 数据处理、 串口通信等内容。由于 M XC62025G 的 I2 C 接口 工作 于快 速模 式 ( 400K ), 所 以为 配合 其传输速率 , 编程时各语句之间应适时加入 NOP 语句以使总线 频率小于 400 k Hz . SDA 总线在 SCL 脉冲低电平期间准备数 据 , 在 SCL 脉冲高电平期间传 送数 据 , 其程序 流程 图如图 5 所 示。 寻址时 , 向芯片写 7 位入口地址 ( 0010101), 第 8 位决定数 据传 输的方向。传感器芯片的输出 数据为 8 位 , 先 M SB 后 LSB。通 过以下方法合并为 16 位输出值 : datax= ( buff[ 1] datay= ( buff[ 3] 8) | buff[ 2]; 8) | buff[ 4];
对水平仪的性 能进 行了 测试。 将其 放置 在长 为 30 c m的 平板上 , 平板一端固定 , 另一端调 节高度 , 刻度从游 标卡尺 上读 出。高度变 化数 值 为 : 0 00 mm、26 16 mm、52 08 mm、 102 60 mm、 150 00 mm. 根 据三 角 公式 , 其对 应 的 角度 值 分 别 为 : 0 、 5、 10 、 20 、30 ( 测量结果见表 2) 。 观察发现 , Y 轴数 据的 数据 较为 准确 , 但 X 轴 向的 测量 结 果并不理想。认为这主要是零点校准的方 法不当引起的。 表 2 测量结果
图 3 传感器硬件连接图
主控 器采 用 AT89C52 单片 机 , 由 于此 单 片机 没 有 I2 C 接
2 口 , 故将其通用 I/O 接口 P1 0 和 P1. 1 模拟成 I C 接口的 SDA
和 SCL . 显示部分采用 LCD 显 示倾斜 角度 , 同 时用发 光二 极管 指示倾斜方向 , 通讯接口为 R S- 232 标准 接口。系统硬 件结构 框图如图 4 所示。
式中 : X _m ax 、 X_ m in 分别是 X 轴的最大、 最小输出值 ; X _Sensitiv ity是 X 轴灵敏度 ; X _O ffset 是 X 轴偏移 量; X _cal是 X 轴方向重 力加速度分量 ; X _Ang le是 X 轴实际输出角度值 ; Y 轴同理。 串口通信采用 RS- 232 标准 , 实 现单片 机与 PC 机之 间的 通信。用 V isual C + + 编写上位机程序 , 使 PC 机经串口接收水 平仪测量的倾角数值 , 并将数据以 . txt 文本形式保存 , 有 利于数 据的进一步分析和处 理 [ 6] 。 3 抗干扰设计 加速度传感器的 分辨率容易受到外界 噪声的影 响 , 系 统输 出噪声随着测量带宽 的改变而改变。通过 滤波处理 , 降低 系统 带宽 , 可以有效降 低系统 输出 噪声 , 提高 系统 信噪 比。为 了保 证水平仪有较高的灵 敏度和精确度 , 需要对系统 进行抗干 扰设 计。 3 1 硬件抗干 扰 为了防止电源引 入外界干扰 , 需 对电源噪 声进行 抑制。如 图 3 所示 , 在电源上并 接 0 1 F 滤波 电容 , 电 容摆放 时要 尽量 靠近传感器芯片的电 源引脚 , 并且 引线长度要 尽可能 短。由于 传感器采用的是热 对流原 理 , 故 在绘制 PCB 电 路时 , 应避 免在 传感器芯片 附近 放置 明显 热源。 M EM S 芯 片下 方应 作覆 铜处 理 , 覆铜区接地 , 其大小与芯片 尺寸相当 , 且在该 区域周围 的过 孔要尽量对称。 3 2 软件抗干 扰
收稿日期 : 2010 - 05- 05
Leabharlann Baidu
第 1期
于玮等 : 基于 M EM S 加速度传感器的数字水平仪
25
上所加的直流 电压 VDD 在 2 7~ 3 6 V 之间 , 5 脚 VDD2上的 电压 标准值为 1 8 V, 但只要低于 VDD 上的电压值即可。由于 I2 C 接 口是开漏输出 , 必须接上拉电阻才可输出高电平。
近似曲线 (如图 6 所示 ) 不能同时满足局部最优和全局最优这 两个条件。但只要倾角不是太大 , 仍可以将误差控制在较小范围 内。线性近似的 K 值选取与倾角误差关系如表 1所示 [ 5] 。 表 1 K 值与最大误差的关系
倾角大小 / ( ) K /( ( ) 57 58 59 60 62 g- 1 ) 50 16 04 47 35 最大误差 / ( ) 0 0 0 1 2 02 16 48 13 24
图 2 倾角测量的数学模型
Y 轴上 , 且与水平面的夹角分别为
和 . 过 O 点向水平面作垂
线 OH, 再过 O 点向平面中的直线 AB 作垂线 , 交点为 C. 由几何 关系 知 , 传 感 器 所 在 的 平 面 OA B 与 水 平 面 的 夹 角 就 是 OCH [ 3- 4 ] 。
OCH = , OH = h, 则 , OA = OB, 所以
图 5 I2 C 程序流程图
= arcsin( Y _cal/g ) 式中 : X _ca l 、 Y _cal分 别表示 重力 加速度 在 X 轴和 Y 轴方 向上 分量 , 与倾角 ( - 90 ~ 90 ) 的关 系曲线如图 6 所示。当角 度变 化不大时 , 轴向加速 度与倾 角之 间几乎 是线 性关 系 , 故 考虑 线 性近似。其关系式可表示为
=K
X _ca l Y _ca l
注 : buff[ 0] 中是内部控制寄存器的值。 由于加速度传 感器的 输出 值只是 加载 在传 感器 2 个 轴上 的重力加速度分量对 应的计数值 , 所 以要输出倾 角还需要 进行 数据处理。首先 考虑正 负输 出 , 因为 M XC62025G 无 法输 出负 数 值 , 故通 过减 去一 个固 定的 偏移 量达 到正 负数 值输 出的 目 的。偏移量取最 大输出 值与 最小 输出值 之和 的一 半。下 面考 虑轴向加速度分量与 倾角间的关系。假 设 X 方 向的倾 角为 , Y 方向的倾角是 , 则输出信号与倾角大小存在以下关系 : X _ca l= g Y _ca l= g 即, sin sin
D igital Inclinom eter Based onM EM S A cceleration Sensor
YU W e,i FENG W e i zhong , WU Jian jun ( College of Information Sc ien ce and T echnology, N an jing Fore stry Un iversity, N an jing 210037, Ch ina) Abstract : Th is paper descr ibed a design so lution o f two d i m ensiona l and h igh precision dig ital inc lino m eter based on ther m al acce lerom eter . Starting from m athe m atical mode, l it ca lcu la ted the a lgo rithm of ang le m easure m ent . Outside interference cou ld be m in i m ized in the m ethod o f suppression by ha rdw are and filte ring by so ftware . A nd it so lved the prob lem that zero w as dr ifting w hen large ang les were measured . R esults show that the instrum ent can be used fo r va rious h igh prec is ion ang le measure m ent . K ey word s : M EM S; d ig ita l inc linom eter ; M CU; anti ja mm ing 0 引言 水平仪作为现 代工业 不可 缺少的 检测 工 具 , 在土 木工 程、 航空航海、 工业控制等领域有着广泛 应用 [ 1] 。传统的气 泡水平 仪误差较大 , 对于小角度精确测量 更是无能为 力。数字水 平仪 以其方便、 快捷、 精度高等特点 在该领域受 到越来越 多的关 注。 设计响应速度更 快、 抗干 扰能力 更强、 精度 更高 的数 字水 平仪 就成为该领域的 发展 方向。文 中介绍 了基 于 M EM S 技术 的小 型高精度数字水平仪 。 1 倾角测量原理 M XC62025G 是低功 耗、 双 轴加速 度传感 器芯片 , 可 以在 X 轴和 Y 轴 2 个 自由度 上测量恒 定或者 变化的 加速度。其 内部 加速度传感器部 分采 用热 对流技 术 , 结构如 图 1 所示 , 正 方形 硅片的中间有一个热 源 , 四周等间 距放置 4 个 热电偶。当 硅片 水平放置时 , 由于 四 周关 于热 源的 温度 梯度 是均 匀的 , 所 以 4 个热电偶的温度相同 , 输出电压相 同。反之 , 当硅片 倾斜时 , 四 周关于热源的温度梯 度不均匀 , 因而输出电压不同 [ 2] 。 设
图 1 加速度传感器内部结构
2 仪器设计 2 1 硬件电路设计 M XC62025G 采用 I2 C 接 口 , 量程 2 g , 在 25 、3 V 的条 件下 , 其灵敏 度为 512 计 数点 /g . 其 硬件连 接如图 3 所示 , 8 脚
倾角测量原理如 图 2 所示。线 段 OA 和 OB 分别在 X 轴和
= a rcsin( X _ca l/g )
26
Instrum ent T echn ique and Sensor 4 1 误差分析
Jan 2011
综 合考 虑正 负输 出和 线性 近似 后 , 采用 以下 数据 处理 方 法 , 得到两个轴向倾角数值。
X _Sen sit ivity= ( X _m ax- X _m in ) / 2 ; Y _Sen sit ivity= ( Y _m ax- Y _m in ) / 2 ; X _O ffset= ( X _ m ax+ X _m in) /2; Y _O ffset= ( Y _ m ax+ Y _m in) /2; X _ cal= ( datax- X _O ffset) /X _S ens it ivity ; Y _ cal= ( datay- Y _O ffset) /Y _S ens it ivity ; X _A ng le= K* X _ca; l Y _A ng le= K* Y _ca; l
2011 年 第 1期
仪 表 技 术 与 传 感 器
Instrum ent T echn ique and Sensor
2011 No 1
基于 MEM S加速度传感器的数字水平仪
于 玮, 封维忠 , 武建军
210037 ) ( 南京林业大学信息科学技术学院 , 江苏南京
摘要 : 介绍了一种基于热对流式加速度传感器的二维高精度数字水平仪的设计 方案 。从 数学模型入手 , 推导了倾 角测量算法 。 采用硬件抑制 、 软件滤波的方法 , 最大限度地降低了外界干扰 , 解决了测 量大角度时 的零点漂 移问题 。 研究结果 表明 : 该 仪器可以进行多 种高精度的倾角测量 。 关键词 : M EM S; 数字水平仪 ; 微控制器 ; 抗干扰 中图分类号 : TP212. 9 文献标识码 : A 文章编号 : 1002- 1841( 2011) 01- 0024- 03
X 实际角度 30 20 10 5 0 -5 - 10 - 20 - 30 X 显示角度 27 257 16 270 0 129 - 4 836 - 11 849 - 16 942 - 22 627 - 32 657 - 39 857 Y 实际角度 30 20 10 5 0 - 5 - 10 - 20 - 30 ( ) Y 显示角度 30 119 19 989 10 179 5 246 0 000 - 5 011 - 9 382 - 20 895 - 29 826
h h , OB = . sin sin
因为 OA AB = OC =
OA 2 + OB 2 = OA OB = AB h = OC
s in2 + sin2 h sin sin
h s in2 + sin2
sin = 所以 ,
s in2 + sin2 sin2 + s in2
= arcsin
即 , 只要得到 2 个轴向倾角值就能求出平面真实倾角。
图 4 系统结构框图
2 2 软件设计 程序设计包括 I2 C 通信、 数据处理、 串口通信等内容。由于 M XC62025G 的 I2 C 接口 工作 于快 速模 式 ( 400K ), 所 以为 配合 其传输速率 , 编程时各语句之间应适时加入 NOP 语句以使总线 频率小于 400 k Hz . SDA 总线在 SCL 脉冲低电平期间准备数 据 , 在 SCL 脉冲高电平期间传 送数 据 , 其程序 流程 图如图 5 所 示。 寻址时 , 向芯片写 7 位入口地址 ( 0010101), 第 8 位决定数 据传 输的方向。传感器芯片的输出 数据为 8 位 , 先 M SB 后 LSB。通 过以下方法合并为 16 位输出值 : datax= ( buff[ 1] datay= ( buff[ 3] 8) | buff[ 2]; 8) | buff[ 4];
对水平仪的性 能进 行了 测试。 将其 放置 在长 为 30 c m的 平板上 , 平板一端固定 , 另一端调 节高度 , 刻度从游 标卡尺 上读 出。高度变 化数 值 为 : 0 00 mm、26 16 mm、52 08 mm、 102 60 mm、 150 00 mm. 根 据三 角 公式 , 其对 应 的 角度 值 分 别 为 : 0 、 5、 10 、 20 、30 ( 测量结果见表 2) 。 观察发现 , Y 轴数 据的 数据 较为 准确 , 但 X 轴 向的 测量 结 果并不理想。认为这主要是零点校准的方 法不当引起的。 表 2 测量结果
图 3 传感器硬件连接图
主控 器采 用 AT89C52 单片 机 , 由 于此 单 片机 没 有 I2 C 接
2 口 , 故将其通用 I/O 接口 P1 0 和 P1. 1 模拟成 I C 接口的 SDA
和 SCL . 显示部分采用 LCD 显 示倾斜 角度 , 同 时用发 光二 极管 指示倾斜方向 , 通讯接口为 R S- 232 标准 接口。系统硬 件结构 框图如图 4 所示。
式中 : X _m ax 、 X_ m in 分别是 X 轴的最大、 最小输出值 ; X _Sensitiv ity是 X 轴灵敏度 ; X _O ffset 是 X 轴偏移 量; X _cal是 X 轴方向重 力加速度分量 ; X _Ang le是 X 轴实际输出角度值 ; Y 轴同理。 串口通信采用 RS- 232 标准 , 实 现单片 机与 PC 机之 间的 通信。用 V isual C + + 编写上位机程序 , 使 PC 机经串口接收水 平仪测量的倾角数值 , 并将数据以 . txt 文本形式保存 , 有 利于数 据的进一步分析和处 理 [ 6] 。 3 抗干扰设计 加速度传感器的 分辨率容易受到外界 噪声的影 响 , 系 统输 出噪声随着测量带宽 的改变而改变。通过 滤波处理 , 降低 系统 带宽 , 可以有效降 低系统 输出 噪声 , 提高 系统 信噪 比。为 了保 证水平仪有较高的灵 敏度和精确度 , 需要对系统 进行抗干 扰设 计。 3 1 硬件抗干 扰 为了防止电源引 入外界干扰 , 需 对电源噪 声进行 抑制。如 图 3 所示 , 在电源上并 接 0 1 F 滤波 电容 , 电 容摆放 时要 尽量 靠近传感器芯片的电 源引脚 , 并且 引线长度要 尽可能 短。由于 传感器采用的是热 对流原 理 , 故 在绘制 PCB 电 路时 , 应避 免在 传感器芯片 附近 放置 明显 热源。 M EM S 芯 片下 方应 作覆 铜处 理 , 覆铜区接地 , 其大小与芯片 尺寸相当 , 且在该 区域周围 的过 孔要尽量对称。 3 2 软件抗干 扰
收稿日期 : 2010 - 05- 05
Leabharlann Baidu
第 1期
于玮等 : 基于 M EM S 加速度传感器的数字水平仪
25
上所加的直流 电压 VDD 在 2 7~ 3 6 V 之间 , 5 脚 VDD2上的 电压 标准值为 1 8 V, 但只要低于 VDD 上的电压值即可。由于 I2 C 接 口是开漏输出 , 必须接上拉电阻才可输出高电平。