基于ADXL345三轴加速度计的倾角测量系统

（郑州大学西亚斯国际学院，450001）

基于ADXL345三轴加速度计的倾角测量系统

胡代弟,王小丽

（郑州大学西亚斯国际学院，450001）

本文提出并设计出一种倾角测量系统，该系统采用ADXL345三轴加速度传感器，实现加速度的测量，并通过计算得到X、Y、Z三个方向的倾角值。再通过串口发送到上位机，基于LabVIEW上位机软件，根据测得的数据，通过三维的方式重现被测物理的运动姿态。

三轴加速度传感器；LabVIEW；倾斜角

0 引言

倾角测量广泛地应用于飞行器的姿态测量、车辆平衡性测试、肢体运动姿态等诸多领域。采用MEMS加速度传感，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。再通过基于LabVIEW上位机软件，三维重现被测物理的运动姿态。

该测量系统主要由：三轴加速度传感器、单片机、上位机三部分组成。系统框图如下：

其中，三轴加速度传感器安装在被测物体上，当被测物体运动时，传感器测得加速度值。单片机通过计算转化为三轴倾角值，再通过串口发送上位机。上位机软件根据数值三维重现运动姿态。

图1 系统框图

1 三轴加速度传感器

微电子机械系统（MEMS）是一种将微机械结构与电路集成在一块单硅芯片的半导体技术。MEMS加速度计是基于这种技术的一种传感器，旨在实现对单轴、双轴和三轴情况下加速度的感知。

目前，三轴加速度传感器已在智能手机中得到广泛应用。手机屏幕会随着角度的不同智能旋转、极品飞车等游戏中的方向盘以及微信中摇一摇等都是利用它实现的。三轴加速度传感器还广泛地用于穿戴式电子，如手环中的运动检测，计步测量。还有硬盘防跌以及汽车运动姿态测量等领域。

本系统选用美国AD公司的ADXL34数字加速度计，这是一款体积很小的超低功耗三轴加速度计，分辨率为13位，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI或I2C数字接口访问。

该传感器，非常适合移动设备应用，可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其分辨率可达3.9mg/LSB，能够测量不到1.0°的倾斜角度的变化。

图2 ADXL345的检测轴

ADXL345检测轴如图2所示。当ADXL345沿检测轴正向加速时，它对正加速度进行检测。需要注意的是，在检测重力时，当检测轴的方向与重力的方向相反时检测到的是正加速度。ADXL345采用3 mm×5 mm×1 mm，14引脚小型超薄塑料封装。传感器的安装方向需要与被测物体保持一致。

2 单片机控制器

单片机采用STC12C5A60S2，该单片机为宏晶公司推出的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗的新一代51单片机，指令代码完全兼容传统8051。该单片机还集成了2路PWM，8路高速10位A/D转换器等。

在本设计中，传感器ADXL345采用I2C接口与单片机相连。传感器的7位I2C地址为0x53，紧随其后的是位。通过将SDO/ALT ADDRESS引脚连接到VDD I/O引脚来选择I2C的替代地址。此配置下的7位I2C的地址是0x1D，紧随其后的是位。

图3 ADXL345采用I2C接口与单片机相连

图4 上位机实时显示传感器的位置姿态

单片机通过I2C接口协议读取三轴加速测量值，并转化为X，Y，Z三个方向的倾角值，通过串口，按照一定的协议发送到上位机。该系统测倾角值的测量分辨率为1°。

3 基于LabVIEW的上位机软件

上位机采用LabVIEW软件设计完成，LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，其最大的特点是采用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。该软件，在工程测量领域有着广泛的应用。

上位机通过串口接收单片机发送的数据，再将分解成X、Y、Z三轴倾角数据，并转化为3D方块的在立体空间中的变化。主要由串口通信和前面板控制与显示两部分组成。

串口通信

通过调用visa串口驱动模块实现，串行通信程序，采用数据帧传输。协议采用主从方式，以上位机为主，下位机为从。上位机每发送一帧命令，下位机需返回一帧响应。同步头、帧长、数据、校验、校验反码5部分。

前面板控制与显示

前面板控制与显示部分，包括3D显示区、XY有效设置、串口通道选择等组成。可单独设只显示其中某一通道变化。

该软件可实时展示三轴加速度传感器的运行状态。图4展示了当改变传感器的位置姿态时，上位机软件中的红色方块会同时变化的情况。

4 结束语

三轴加速度计的倾角测量系统，可用于智能小车、控制云台、机器人等位置及运动姿态的测量中。采用LabVIEW的上位机软件，以3D的形式直观再现了测量结果。使得该测试系统具有更广泛的应用空间。

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胡代弟：（1983年-），女，湖南省怀化人，讲师，研究方向：自动化。郑州大学西亚斯国际学院电子信息工程学院

王小丽：（1965年-），女，河南省焦作人，副教授，研究方向：自动化。

表1 Canon6D和PR-655测得的平均串扰值比较

4 误差分析

成像镜头响应的不均匀性，导致输入相同亮度，输出电荷不同；成像镜头的畸变，导致目标物点与数码相机镜头成像面之间存在光学畸变误差；成像镜头的热噪声影响和电容器电荷溢出，影响测量精度，造成测量误差。

5 结语

经过实测分析，利用数码相机测试串扰，可以得到较好的测试结果，误差在10%以内，此方法有一定的可行性。

参考文献

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An angle measuring system based on ADXL345 three axis accelerometer

Hu Daidi,Wang Xiaoli
(1.SIAS International College of Zhengzhou University，450001)

This paper presents and designs a kind of angle measuring system.The system uses ADXL345 three axis acceleration sensor to measure the acceleration.The Y,Z and X are obtained by calculating the three directions.Through the serial port to send to the host computer,based on the LabVIEW PC software,according to the measured data,to reproduce the measured physical movement posture in three-dimensional way.

three axis acceleration sensor;LabVIEW;tilt angle