基于MEMS重力檢測的數字水平儀

張秀再， 陳彭鑫， 吳華娟

(南京信息工程大學 a. 電子與信息工程學院； b. 江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心；c. 江蘇省氣象傳感網技術工程中心， 江蘇 南京 210044)

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·儀器設備研制與開發·

基于MEMS重力檢測的數字水平儀

張秀再a，b，c， 陳彭鑫a， 吳華娟a

(南京信息工程大學 a. 電子與信息工程學院； b. 江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心；c. 江蘇省氣象傳感網技術工程中心， 江蘇 南京 210044)

為了實現較高精度的測量水平角度和兩個相交平面的夾角，設計了基于MEMS三軸加速度傳感器和MSP430F149單片機的新型高精度、低功耗數字水平儀。系統基于MEMS重力檢測技術通過MEMS三軸加速度傳感器檢測空間三軸上的重力加速度分量來計算水平傾角，克服了雙軸傳感器在空間傾角測量上的缺陷；通過溫度傳感器DS18B20實時測量環境溫度并對水平傾角進行溫度補償，提高測量的準確度；采用OLED顯示角度(弧度、斜率)、溫度和時間，采用E2PROM存儲測量數據。實驗結果表明，系統測試精度較高，具有一定的實用價值。

數字水平儀； 重力檢測； 三軸加速度傳感器； 溫度補償

0 引 言

數字水平儀[1-4]是用于測量物體相對水平面傾斜角度的儀器，由傳統的氣泡水準儀發展而來。在家具及汽車制造行業、高樓橋梁建筑行業、生物醫學和航空航天等行業，往往都需要檢查各種機械設備的不直度、物件相對位置的水平度。這些都需要對水平傾角進行準確的測量。國內傳統的氣泡水準儀是通過加熱玻璃管內的酒精乙醚溶液，再經過冷卻形成水準氣泡，直接通過人眼觀察氣泡是否處于玻璃管中央位置來進行調平判斷[5]。因此，它既不能定量顯示傾斜角度值，又費事費力。

本文設計并制作了基于MEMS重力檢測的新型高精度低功耗數字水平儀。系統以MSP430F149超低功耗單片機為核心，通過MEMS三軸加速度傳感器ADXL345實時獲取其靜態放置時重力加速度在空間三軸上的分量，從而計算出物體相對水平面的傾斜角度。由于MEMS傳感器的輸出會受到溫度的影響，所以系統通過實時溫度監測，根據溫度經驗偏差曲線進行軟件溫度補償。另外，系統通過3.7 V鋰電池供電，并設計了充電管理電路；通過低功耗OLED顯示角度(弧度、斜率)、當前環境溫度以及系統時間。鑒于樣本記錄的需要，系統通過電可擦除存儲器AT24C04可對一組測量樣本進行記錄且掉電保存。與傳統的氣泡水準儀相比，具有檢測速度快、精度高、可充電和附加功能多等特點。

1 系統結構

基于MEMS重力檢測技術的數字水平儀結構框圖如圖1所示，包括：① MEMS三軸加速度傳感器模塊。ADXL345將三軸重力分量轉化成電信號，并在傳感器內部將電信號經過模數轉換和數字濾波，最后以I2C總線的方式串行輸出數字信號;② 溫度傳感器模塊。DS18B20向單片機傳送實時環境溫度信號;③ 按鍵、OLED屏模塊。用于設置系統參數和顯示測量數據；④ 鋰電池充電管理模塊。用于監測電池的電壓和電流，防止過沖過放；⑤ 其他模塊。包括主控芯片MSP430F149、時鐘芯片和EEPROM。

圖1 系統結構框圖

2 測量原理

2.1 二維傾角計算

如圖2所示，當加速傳感器靜止放置時，會受到豎直方向上重力的作用。而當傳感器在XOY平面上傾斜時，其X、Y軸方向分別受到g·sinα和g·cosα的分量，g表示重力加速度，α表示水平傾角，

(1)

用雙軸加速度測量物體在XOY平面上的傾斜角度，Ax,out和Ay,out分別表示傳感器輸出的X、Y軸重力加速度分量。但當傳感器在空間傾斜時，很多情況下不能保證完全傾斜在XOY平面上，一些重力分量會落在Z軸上，這樣就無法使用雙軸加速度進行測量了[6]。

圖2 二維傾角圖

圖3 三維傾角圖

2.2 三維傾角計算

針對雙軸加速度在測量上的局限性，本系統考慮使用三軸加速度傳感器[7-9]。如圖3所示，傳感器在空間上的X、Y和Z軸都會受到重力分量的作用。引入空間Z軸后，用球面坐標(ρ，θ，φ)代替空間直角坐標(x，y，z)來表征各軸上的重力加速度分量與空間角之間的關系，根據立體幾何關系可得:

(2)

(3)

(4)

因此，用三軸加速度測量物體相對空間水平面的傾斜角度公式就需要推廣為：

(5)

3 系統硬件設計

3.1 傳感器

3.1.1 MEMS三軸加速度傳感器

ADI公司生產的超低功耗三軸加速度傳感器ADXL345，其在工作模式下電流為23 μA，在待機模式下功耗僅為0.1 μA。搭載32位FIFO，在FIFO模式下，空間X,Y,Z軸的測量數據均存儲在FIFO中，可將主處理器的負荷降至最低。可選量程有±2g，±4g，±8g和±16g，分辨率為10～13位。既能測量運動或沖擊過程導致的動態加速度，也能測量靜止物體的靜態加速度[10-13]。本系統選擇±2g量程，10位分辨率，故傳感器的三軸靈敏度理論值為256gLSB。系統主控芯片通過I2C總線協議與ADXL345串行通信，其電路連接圖如圖4所示。

圖4 MEMS傳感器

雖然MEMS傳感器的溫度性能很好，但鑒于PCB工藝等眾多因素的影響，溫度變化時，ADXL345不可避免地會存在0g偏移，整體測量輸出也會有微小的變化[14]，在實驗室控溫條件下，分別測量重力加速度全載到空間三軸上時，傳感器X，Y，Z軸各自的輸出，通過Matlab將樣本數據進行擬合,見圖5，得到三軸靈敏度的溫度修正函數為：

(6)

式(5)可進一步修正為帶溫度補償：

α=

(7)

式中：Dx,y,z,out為三軸各自輸出的數字量；Ax,y,z,out為三軸各自測得的加速度分量。

圖5 靈敏度-溫度關系圖

3.1.2 溫度傳感器

基于溫度傳感器DS18B20的溫度測量電路如圖6所示。DS18B20具有獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用，無需外部元件，可用數據總線供電，電壓范圍為3.0～5.5 V 無需備用電源，測量溫度范圍為-55～125 ℃ 。不同于其他串行通信協議，作為單線器件DS18B20擁有自己獨特的通信協議。DS18B20不是根據電壓的高低來區分邏輯‘0’和邏輯‘1’的，而是根據高電平持續時間的長短來區分。在對DS18B20讀寫之前，要首先對其進行復位。之后才能對DS18B20內部的RAM和ROM進行操作。

圖6 溫度測量電路

3.2 鋰電池充電電路

系統采用3.7 V鋰電池供電，并設計充電管理電路,如圖7所示。鋰電池充電過程一般分為涓流充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段。美國微芯公司生產的線性充電管理控制器MCP73831可通過檢測鋰電池電壓來判斷當前充電階段，從而控制充電電壓和電流，防止過沖過放。圖中，電阻R10的阻值可調控充電電流和電壓的大小，當R10=2 kΩ時，充電電流約為500 mA，電壓約為4.2 V。另外系統要求在電池充電過程中，數字水平儀仍然可以使用。所以通過肖特基二極管D2和D3限制電流方向，防止MCP73831對電池電壓產生誤判。充電時，D2導通，D3截止，系統由MiniUSB供電。

圖7 充電管理電路

采用LDO芯片 RT9193-3.3對鋰電池進行穩壓至3.3 V，對系統各數字芯片進行供電。RT9193的輸入輸出壓差僅與負載電流和環境溫度有關。在室溫(25 ℃)，負載電流為300 mA的情況下，壓差僅為220 mV。22 μF的旁路電容C10可減少穩壓輸出的紋波噪聲。為了使LDO處于連續工作狀態，系統將EN引腳連接到輸入電壓引腳上。

3.3 時鐘芯片和E2PROM

AT24C04是Atmel公司的4KB電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機通訊。DS1302 是美國DALLAS公司生產的一款具有閏年自動補償功能的時鐘芯片，它不僅可以準確地計算小時、分鐘和秒，而且可以累積出星期、日期以及年份。只需在系統初始化時，對DS1302寫入一次時間，然后DS1302便以這個初始時間為基準向后計時。搭建時鐘電路和E2PROM電路是為了根據用戶的需求記錄并存儲一個或一組樣本值，以及獲取樣本的時間和日期。這些存儲值可以掉電保存，也可以通過按鍵中斷將其呼出顯示在OLED上，或者將其刪除。

3.4 OLED顯示屏

即有機發光二極管(OLED)與普通LCD顯示屏的主要區別在于OLED不需要背光源，所以節省了很大的功耗。系統采用3.3 cm(1.3吋)OLED并配合使用帶GB2312字符集和ASCII符集的標準漢字字庫芯片GT20L16S1Y，具有“低功耗、體積小”的特點。系統利用SPI總線協議與GT20L16S1Y進行通信，通過字符內碼計算出某字符點陣在芯片中的地址，并從該地址連續串行讀出字符點陣信息。

4 系統軟件設計

系統采用TI公司生產的16位超低功耗微控制器MSP430F149為主控芯片[15-16]。它具有60 KB大小的Flash作為程序存儲器和2 KB大小的RAM作為數據存儲器。最大時鐘頻率為8 MHz，可編程I/O口數量為48個。

4.1 主程序流程圖

如圖8所示，系統首先初始化時鐘，選擇8 MHz晶振作為主時鐘源。然后對MEMS三軸加速度傳感器ADXL345和溫度傳感器DS18B20作寄存器配置。然后實時采集兩個傳感器的輸出，并根據附帶溫度補償模型的式(7)計算出當前傾角。

圖8 主程序流程圖

4.2 中斷流程

(1) 按鍵1中斷。如圖9，當按鍵1按下時，系統進入1號中斷。按鍵1中斷的作用是記錄測量樣本。

首先讀出當前測量數據，包括傾角值、溫度值和時間，然后將該樣本按字節寫入E2PROM，并顯示當前存儲器中的指針位置，方便用戶了解該樣本的地址編號。最后清中斷標志位并返回主程序。

(2) 按鍵2中斷。按鍵2按下時，會觸發2號中斷服務程序，其作用是查看存儲在E2PROM中的樣本數據。程序需要在每讀出一組數據后，判斷是否已經讀取完畢，若否，則繼續讀取。最后顯示在OLED屏上，并清除中斷標志位返回主程序。

(3) 按鍵3中斷。按鍵3的中斷服務程序作用是刪除樣本數據，指針自下而上，每次刪除之前顯示樣本數據及指針編號，方便用戶了解E2PROM中剩余樣本數據。最后清中斷標志并返回主程序。

4.3 軟件濾波

系統軟件濾波部分包括：① 溫度補償；② 中值濾波；③ 數值保持。由于溫度變化會影響MEMS傳感器的靈敏度和0g偏移。所以計算公式要修正為式(7)。為了降低測量誤差，軟件上進行加權中值濾波，即對10次測量數據去除最大值與最小值，對剩余8個數據按權重求平均，權重與數據更新時刻成正比。由于ADXL345的靈敏度為10位，不可避免地會產生輸出數值波動，故軟件對輸出結果波動不超過0.1°的情況不作理會，即只保留小數點后1位。

圖9 中斷流程圖

5 系統裝置示意圖

系統在應用時需要方便手持，故設計了形狀為手持桿的系統裝置，裝置圖如圖10所示。系統3.7 V鋰電池裝在尾部電池槽中，用戶按鍵和OLED顯示屏嵌入在手持桿中間位置。由于上、下接觸面相互平行，故用戶只需將其中一面緊貼待測平面即可測得傾角值，若待測平面為金屬面，則可通過吸附強磁直接貼上去。⑥和⑦為旋轉接口，可通過旋轉螺栓連接另一個相同的手持測量桿，構成夾角臂狀，兩臂讀數相減即可得到夾角讀數。該裝置有方便手持、可吸附金屬面和可拓展夾角測量等特點。

6 實驗結果

為體現溫度補償的效果，將實驗分甲、乙兩組進行，每組各5次實驗。甲組實驗在室溫(25℃)下進行，乙組在不同溫度下進行，兩組數據均與標準溫度計和角度測量儀的實際測量數據做對比。由表1數據可知，在溫度變化情況下，系統測量結果仍然保持高準確性。

圖10 系統裝置示意圖

表1 實驗測試結果

7 結 語

基于MEMS重力檢測技術的數字水平儀克服了傳統氣泡水準儀讀數慢、精度低的問題。本系統的硬件裝置采用PCB沉金工藝、OLED數字顯示、鋰電池充電管理電路等，具有體積小、可現場充電、方便攜帶、性能穩定等特點。測量結果經過軟件濾波提高準確度，可以實時存儲數據及時間，提高監測效率，具有一定的現實意義和實用價值。

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Digital Leveling Instrument Based on MEMS Gravitational Tests

ZHANGXiu-zaia,b,c,CHENPeng-xina,WUHua-juana

(a. School of Electronic & Information Engineering; b. Jiangsu Collaborative innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET)；c. Jiangsu Technology & Engineering Center of Meteorological Sensor Network；Nanjing University of Information Science & Technology； Nanjing 210044, China)

In order to achieve high accuracy measurement of the horizontal angle and the angle between the two intersecting planes, this paper designs a new, high-precision and low-power digital gradienter based on MEMS three-axis accelerometer and MSP430F149 micro-controller. The system calculates the level obliquity by detecting gravitational acceleration component on each of the space three axes, and overcomes the shortcoming of two-axis accelerometer when dealing with space obliquity detection. The system achieves the real-time temperature through measurement and has the function of temperature compensation for level obliquity detected. The system uses OLED to display angle (radian, slope), temperature and time and uses E2PROM to save measured data. According to the test results, the system has a high measurement accuracy and has some certain practical significance.

digital gradienter; gravity detection; three-axis accelerometer; temperature compensation

2015-05-11

江蘇省高校自然科學研究面上項目(14KJB510019， 14KJB120007) ；江蘇省高校自然科學研究重大項目(13KJA510001)；高校科研成果產業化推進工程項目(JHB2012-9)；江蘇省自然科學青年基金項目(BK20141004);江蘇省信息與通信工程優勢學科人才資助教研課題

張秀再(1979-)，男，江蘇沛縣人，副教授，現主要從事測控技術研究。 Tel.:13914728366； E-mail: xz_zhang@nuist.edu.cn

TP 23

A

1006-7167(2016)03-0051-05