基于MEMS传感器技术的倾角测量仪设计

郝 骞 冯敦超 马慧卿 齐明思

（中北大学国家级电工电子实验教学示范中心，太原 030051仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051 ）

1 引言

目前很多工程应用领域需要进行精确、大量程的角度测量以及水平面的确定，并把采集到的数据交由计算机分析处理[1,2]。本文针对这种需求，设计了基于MEMS加速度倾角传感器的倾角测量仪，硬件采用SCA610 倾角传感器，Atmega8 单片机，数码管和串口数据通讯。软件方面进行了传感器的线性度拟合，开发了简单的计算机上位机软件。该测量仪可以做到开机即可使用，方便与计算机连接。

2 测量原理

当物体水平放置时，且不受其它外力的作用时，它受到竖直向下的重力加速度的作用；而当物体放置在一个倾斜的平面上时，物体的重力加速度就可以分解为沿着平面的加速度分量和垂直于平面的加速度分量。当测得物体的下滑分量加速度α，就可以通过的公式(1），(2)计算出物体的倾斜角。

3 系统硬件设计

传感器采用芬兰VTI公司的单轴电容式MEMS倾角传感器SCA610，+5V供电，低温漂，量程-90°～+90°，模拟电压输出，范围0.5V～4.5V。单片机使用ATMEL公司的Atmega8单片机，自带8路10位ADC。硬件框图如图1所示。

显示分为数码管和上位机两种方式，使用的是4位共阳数码管，其中最高位用于显示正负，其余三位前两位是十位和各位，最后一位为小数。倾角测量仪与计算机通讯采用的是USB转串口芯片PL2303，该芯片一次性完成USB至TTL电平的转换，无需增加电平转换芯片，结构简单。

4 系统软件设计

系统上电后，首先初始化ADC和定时器，为了滤除噪声，采用连续采集20次传感器的输出电压取平均的方式。然后进行角度转换，通过定时器定时刷新数码管，防止数码管闪烁，同时通过串口把角度值输出至上位机。主程序框图如图2所示。

图1 倾角测量仪硬件框图

图2 主程序流程图

本测量仪能够适应大多数工程测量场合的一个重要因素在于可以随时改变两点位置，当测量仪处在某一角度是按下按键系统就会以此角度为零度重新测量。

中断刷新数码管程序框图如图3所示。

为了便于在计算机端显示，利用Visual Basic 开发了上位机软件，能够实现简单的记录和图形化显示，界面如图4所示。

图4 上位机界面

5 测试结果

为了提高倾角传感器的补偿准确性，在测试开始前对倾角传感器进行标定，又称偏移校准。标定方法如图5 所示。将仪器放在校准后的水平位置，将此时的输出值记做0度值。如果没有精确的水平面，可用任何稳定的平面代替。测出下图中位置A与位置B的输出，计算出平均值{ ( VoutA + VoutB ) / 2 }并记做零度值。

图3 中断服务程序

图5 倾角传感器标定

实测结果为：

利用标准角度仪器对倾角传感器进行准确度验证，验证时注意角度的精确性，以保证测量准确性。其原理是利用传感器制造参数及相应公式，根据输入电压、标准标定角度、输出电压，计算相应测量参数，从而为角度测量制定参考标准。还应注意在每次测量前都要进行标定。实测结果如表1 所示：

表1 倾角传感器实际输出电压与倾角的关系

从图6可以看出理论值、实际值以及8次拟合后的值的关系，可得倾角传感器的输出电压遵循正弦函数关系。

图6 理论值、实测值和拟合数据

6 结论

本文设计的倾角测量仪携带方便，读数精确，达到±0.3°，显示清晰，可以通过上位机进行分析处理，并且能够实现随时改变零点位置，极大的扩展了应用领域。

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