基于 速度傳感器的數(shù)字水平儀的研究 于瑋 ，封維忠 *，武建軍 （南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 南京 210037） 摘要： 介紹了一種基于熱對流式加速度傳感器的 二維 高精度 數(shù)字水平儀的設(shè)計方案。從數(shù)學(xué)模型入手，推導(dǎo)了傾角測量算法 。 采用硬件抑制、軟件濾波的方法，最大限度地降低了外界干擾 ，解決了測量大角度時的零點(diǎn)漂移問題 。 研究結(jié)果表明： 本儀器 可以 進(jìn)行 多 種 高精度的傾角測量 。 關(guān)鍵詞： 字 水平儀；微控制器；抗干擾 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號： on U of 210037, a of on we of be in of by by At it be 引言 水平儀作為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的檢測工具，在 土木工程、航空航海、工業(yè)控制 等領(lǐng)域 有著廣泛應(yīng)用 1。 傳統(tǒng)的 氣泡水平儀 誤差較大，對于小角度精確測量更是無能為力。 數(shù)字 水平儀 以其方便、快捷、精度高等特點(diǎn)在 該 領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。 與此同時，設(shè)計響應(yīng)速度更快、 抗干擾能力更強(qiáng)、精度更高的 數(shù)字 水平儀就成為 該領(lǐng)域的發(fā)展方向。 本文 介紹了 基于 術(shù)的 小型 高 精度 數(shù)字水平儀。 1 1 傾角測量原理 美新公司生產(chǎn)的低功耗、雙軸加速度傳感器 芯片 ，可以 在 X 軸和Y 軸兩 個自由度上 測量恒定或者變化的加速度 。 其 內(nèi)部 加速度 傳感器部分 采用熱對流技術(shù) 2， 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 ， 在正方形的硅片中間懸掛了一個熱源，并且在周圍四個方向（雙軸上）等間距的放置四個 熱電偶 。當(dāng)硅片水平放置時， 由于 四周關(guān)于熱源的溫度梯1 度是均勻的 ，所以四個 熱電偶 的溫度相同 ，輸出電壓相同 。反之，當(dāng)硅片傾斜時，四周關(guān)于熱源的溫度梯度不均勻， 因而輸出電壓不同。 圖 1 加速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傾角測量 原理 3如圖 2 所示 。 線段 B 分別在 X 軸和 Y 軸上，且與水平面的夾角分別為 和 。過 O 點(diǎn) 向水平面 作 垂線 再過 O 點(diǎn)向 平面中的直線 垂線，交點(diǎn)為 C。 由幾何關(guān)系知， 傳感器所在的平面 水平面的夾角就是 設(shè) ， OH=h，則，作者簡介 ：于瑋（ 1986 ），江蘇南通人，碩士研究生 ，主要研究方向為計算機(jī)測控技術(shù)及儀器 . 通訊作者 ： 封維忠（ 1950 ） ，江蘇南京人， 副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為計算機(jī)測控技術(shù)及儀器 . 因為 根據(jù)勾股定理 ，hs s s 222 s s 22 所以， rc 2 即，只要 得到兩個軸向傾角值就能求出平面真實傾角。 圖 2 傾角測量數(shù)學(xué)模型 2 儀器 設(shè)計 硬件電路設(shè)計 2 量程 2g，在 25C， 3其靈敏度為 512計數(shù)點(diǎn) /g。 其硬件連接如圖 3所示， 8腳上所加的直流電壓 5腳 壓標(biāo)準(zhǔn)值為 只要低于 可。 由于 須接上拉電阻才可輸出高電平 。 圖 3 傳感器硬件連接圖 主控器采用 由于此單片機(jī)沒有 將 其通 用 I/ 成 顯示部分采用 斜 角度，同時用發(fā)光二極管指示 傾斜 方向，通訊接口為 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 4所示： 圖 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 軟件設(shè)計 程序設(shè)計包括 信，數(shù)據(jù)處理， 串口通信 等內(nèi)容。 由于 口 工作于快速模式（ 400K） ， 所以 為配合其傳輸速率 ， 編程時各語句之間應(yīng)適時 加入句以使 總線頻率小于 400沖低電平期間準(zhǔn)備數(shù)據(jù) ， 在沖高電平期間傳送數(shù)據(jù) ， 其 程序 流程圖如圖 5 所示。 尋址時 ，向 芯片 寫 7 位入口地址 （ 0010101），第 8 位決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。 傳感器 芯片 的 輸出 數(shù)據(jù)為 8 位 ，先 過以下方法合并 為 16 位輸出值： 8)|; 8)|; 注 : 中是內(nèi)部控制寄存器的值。 圖 5 序流程圖 由于加速度傳感器的輸出值只是加載在傳感器兩個軸上的重力加速度分量對應(yīng)的計數(shù)值，所以 要輸出傾角還需 要 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 首先考慮正負(fù)輸出， 因為 值， 故 通過減去一個固定的偏移量達(dá)到正負(fù) 數(shù)值 輸出的 目的。 偏移量 取最大輸出值與最小輸出值之和 的 一半 。 下面考慮軸向加速度分量與傾角間的關(guān)系。 假設(shè) 傾角為， Y 方向的傾角是，則輸出信號與傾角大小存在以下關(guān)系： g _g ， =_g) =_g) 其中， 別表示 重力加速度在X 軸和 Y 軸方向上分量。 其 與傾角 在 90范圍內(nèi)的曲線如圖 6 所示。不難看出 ，當(dāng)角度變化不大時，軸向加速度與傾角之間幾乎是線性關(guān)系。 其關(guān)系式可表示為： 0 0 - 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 0 20 40 60 80 100 . 8- 0 . 6- 0 . 4- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81 或 ( )g)圖 6 軸向加速度與傾角間的關(guān)系 采用 線性 近似 后，只要傾角不 是太 大，仍可以將誤差控制在 較 小 范圍內(nèi)。 線性近似的 1 所示 4,5： 傾角大小 K（ /g） 最大誤差（） 10 20 30 40 50 1 K 值 與最 大誤差的關(guān)系 綜合考慮正負(fù)輸出和線性近似后，采用以下數(shù)據(jù)處理方法，得到兩個軸向傾角數(shù)值。 2; 2; _2; _2; ; ; K*K*其中， 別是 X 軸的最大 最小輸出值。 X 軸靈敏度， X 軸偏移量， X 軸方向重力加速度分量， X 軸實際輸出角度值 ， Y 軸 同理。 串口通信 采用 準(zhǔn)，實現(xiàn)單片機(jī)與 之間的通信。用 +編寫上位機(jī)程序，使 經(jīng)串口接收水平儀測量的傾角數(shù)值 ，并將數(shù)據(jù)以 本形式保存，有利于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理 6。 3 抗干擾設(shè)計 加速度傳感器的分辨率 容易受到外界噪聲的影響，系統(tǒng)輸出噪聲隨著測量帶寬的改變而改變。通過 濾波處理，降低系統(tǒng)帶寬，可以有效降低系統(tǒng)輸出噪聲 ，提高系統(tǒng)信噪比。 為了 保證 水平儀 有較高的靈敏度和 精確度，需要對系統(tǒng) 進(jìn)行抗干擾設(shè)計 。 硬件抗干擾 為了防止電源引入外界干擾， 需對電源噪聲進(jìn)行抑制。如圖 3所示 ，在 容擺放時要盡 量 靠近傳感器芯片的電源引腳 ，并且引線長度要盡可能的短。 由于 傳感器 采用的 是熱對流原理，故在繪制 避免在傳感器芯片附近放置明顯熱源。 銅區(qū)接地， 其大小與芯片尺寸相當(dāng)，且在該區(qū)域周圍的過孔要盡量對稱。 軟件抗干擾 通過軟件濾波的方法可以進(jìn)一步降低高數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性。本 文 基于兩種思想對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。 一方面，當(dāng)前后兩次接收到的測量數(shù)據(jù)之差的絕對值小于靈敏度 （為保險起見，取128g） 時，就保留 后接收的 數(shù)據(jù)，否則 將其拋棄。程序?qū)崿F(xiàn)如下： ;/經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù) ) 0 另一方面，利用滑動平均理論，先接收10 個數(shù)據(jù)，再保留它們的算術(shù)平均值 ，可以較好的抑制隨機(jī)噪聲 。 由于 該方法 處理起來較為簡便，這里不再贅述。 4 誤差 分析 與方法改進(jìn) 誤差分析 我們對水平儀的性能進(jìn)行了測試。 將其放置在長為 30平板上，平板一端固定，另一端調(diào)節(jié)高度 ，刻度從游標(biāo)卡尺上讀出 。高度變化數(shù)值為： 根據(jù)三角公式， 其對應(yīng)的角度值分別為： 0、 5、10、 20、 30 （ 測量結(jié)果 見表 2） 。 觀察發(fā)現(xiàn)， Y 軸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確 ，但 X 軸向的測量結(jié)果并不理想。我們認(rèn)為 這主要 是 零點(diǎn)校準(zhǔn) 的 方法不當(dāng) 引起的。 X 實際角度（） X 顯示角度 （） Y 實際角度（） Y 顯示角度（） 30 0 0 0 0 0 5 5 10 10 20 20 30 30 2 測量結(jié)果 方法改進(jìn) 鑒于以上幾點(diǎn)，我們對校零方法進(jìn)行了改進(jìn)。 由于水平放置時，輸出傾角值應(yīng)當(dāng)為零，即儀器輸出量減去 值必然為零?；谶@一思想，在測量前我們 取 10個水平放置 時 的 輸出值并求平均，將這個平均值作為數(shù)據(jù)處理的偏移量。不難看出，真正測量時， 這個偏移量固定不變。 實際操作中，在上電一瞬間使水平儀放平，再分別繞 軸一周，即可完成復(fù)位、校零等初始化工作。 修改 表 3和圖 7所示。 可以看出 ，改進(jìn)后的 傾角儀具有良好的線性 度和較高的精確度。 X 實際角度（） X 顯示角度（） Y 實際角度（） Y 顯示角度（） 30 0 0 0 0 0 5 5 10 10 20 20 30 30 3 改進(jìn)后的測量結(jié)果 圖 7 測量值與實際值的關(guān)系 采用最小二乘法擬合后的曲線如圖 8所示，圖中的擬合曲線與原曲線基本重合，線性度 優(yōu)于 圖 8 原始曲線與擬合曲線 5 結(jié)束 語 采用基于熱對流原理的微型加速度傳感器， 由于沒有質(zhì)量快， 有效減小了水平儀的體積。 在對信號濾波處理的同時， 通過改進(jìn)偏移量算法， 抑制 了 零點(diǎn)漂移 問題 ， 提高了傳感器的靜態(tài)特性 。 本方案 實現(xiàn)了傾角數(shù)據(jù)的實時 測量 ，在 +10范圍內(nèi)可以進(jìn)行 高精度 測量 ，分辨力為 。對于 精度要求 一般的場合， 該 儀器在 +30之間亦有廣泛 的 應(yīng)用前景 。 參考