MEMS無線數顯角度測量儀設計*

何榮華， 張大兵， 彭望龍

(湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105)

MEMS無線數顯角度測量儀設計*

何榮華， 張大兵， 彭望龍

(湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105)

針對雙軸或單軸高精度角度測量的工況需要，采用8位單片機為主控芯片，高精度數字MEMS為傳感器芯片設計了一種體積小、功耗低的無線數顯角度測量儀。遠端上位機通過ZigBee無線模塊對測量儀進行操作和三維顯示，同時集成OLED屏可就地顯示測量數據。具有雙軸±90°傾角測量和單軸絕對式0°～360°轉角測量功能。測試結果表明：該測量儀測量精度為0.1°，具有較高的推廣應用價值。

MEMS傳感器； ZigBee無線模塊； 角度測量； 虛擬儀器

0 引 言

角度測量儀可廣泛應用于建筑、道路、橋梁和地質勘探等重力參考系下的傾角和轉角測量，也是許多工業設備的一個重要組成部分，精確的測量角度對這些工業設備的正常運行具有重要意義。MEMS技術是一種新興的技術，它將集成電路與機械裝置集成于一個芯片中，與傳統的機電系統相比，其體積小、功耗和成本低。吳曉鵬等人[1]基于ADI公司MEMS慣性傳感器ADIS16209芯片設計了雙軸傾角測量儀，與Crossbow Technology公司的高精度測量儀AHRS得到的結果進行比較分析，測量誤差在1°以內，分析原因認為是沒有進行濾波降噪處理；梁應選[2]采用單片機為主控單元，增量式編碼器為前端傳感器，外加中間四細分辨相處理電路設計出了精度為0.25°的轉角測量系統；光電編碼器和光柵角度傳感器價格高，耐振和耐沖擊性能較差，受環境因素影響較大[3]；劉建航[4]以PIC16F685單片機為主控芯片,利用ADXL345數字式傳感器三軸加速度測速計測量傾角，精度誤差在±0.5°之內，由此可看出,以上兩種傾角測量儀精度都不太高，難以滿足高精度測量要求。

在實際應用中，由于環境原因，很多測量現場不方便布線，使測量數據很難獲得，因此,通過低成本高可靠性的無線通信技術獲得測量數據具有很大的實用價值。ZigBee技術是一種應用于中等距離范圍內低傳輸數據速率下電子設備之間的無線通信技術[5]，依靠ZigBee技術可實現低成本、低功耗、低復雜度和高可靠性的無線通信網絡的組建。

本文將結合MEMS技術、ZigBee技術和LabVIEW軟件設計一種無線數顯角度測量儀，不但能實現±90°測量范圍內的雙軸測量，還能實現0°～360°的絕對轉角測量，且均能達到0.1°的測量精度，其次還能進行加速度測量，具有多功能特點。所有測量值均可就地在OLED顯示屏上顯示，還能通過ZigBee無線模塊傳輸至上位機實現圖形和數字顯示，最后通過實驗驗證了該測量儀的測量精度。

1 系統總體設計

如圖1，無線數顯角度測量儀主要由MEMS傳感器、單片機、OLED顯示屏、CC2530無線模塊和上位機共五部分組成。角度測量采用美國ADI(亞德諾)公司的ADIS16209型 MEMS傳感器芯片，測量值通過SPI串行接口輸出數字信號，具有雙軸和單軸測量兩種工作模式，雙軸測量時的測量范圍是±90°，單軸測量的測量范圍為±180°，采用此模式可實現0°～360°的轉角測量，角度測量精度為0.1°，其次，還可實現加速度和內部溫度測量功能，加速度測量范圍為±1.7gn，額定溫度范圍為-40～+125 ℃[5]。該器件功能完整，靈敏度、采樣速率、帶寬和報警閾值均支持數字編程，還包括一個12位輔助數模轉換器、2.5 V精密基準電壓、數字自測功能和可編程電源管理等功能。采用3.0～3.6 V的單電源供電，快速模式下功耗為36 mA，標準模式下為11 mA，休眠模式下為140 μA[6]。該器件具有精度高、功耗低和容易實現系統集成等優點。采用英飛凌公司型號為SAK—XC886—8FFA的8位單片機作為系統的數據處理單元，實現數據采集、處理、輸出和顯示等功能。使用 OLED屏顯示雙軸測量模式下的x和y軸傾角測量值和單軸測量模式下的絕對轉角測量值。無線模塊采用TI公司的CC2530芯片作為無線模塊核心芯片，完成將單片機處理后的數據發送至上位機的功能。CC2530具有強大的RF性能，可編程的256 KB閃存，更小的封裝尺寸和IR產生電路，支持ZigBee PRO,ZigBee RF4CE等協議，所設計的傳感器節點在空曠地區傳輸距離可達400 M以上[7]。

圖1 系統總體結構框圖

1.1 系統硬件設計

硬件系統采用模塊化設計，主要由電源模塊、單片機控制模塊、顯示模塊和無線收發模塊構成。因所用芯片的供電電壓均為3.3 V，為便于安裝和攜帶方便，系統采用單節18650鋰電池作為電源并集成充電模塊，可方便充電。正常工作時鋰電池輸出電壓會由4.2 V逐漸變化到低于3 V，為使系統穩定工作，在此選用AMS1171—3V3穩壓芯片給各芯片穩定供電，該芯片具有低功耗特點。采用SAK—XC886—8FFA芯片的最小系統構成單片機控制模塊。為降低功耗，延長系統工作時間，顯示模塊使用0.96 in(1 in=2.54 cm)白色128×64 OLED液晶屏，其顯示效果好，辨識度高。采用CC2530芯片構建無線收發模塊，并使用串口與單片機進行數據通信，波特率為9 600 bps；為縮小體積，將天線印制在PCB上。測量儀實物見圖2。

圖2 測量儀實物圖

1.2 系統軟件設計

系統上電之后SAK—XC886—8FFA單片機先完成初始化設置，然后通過SPI接口與ADIS16209傳感器建立通信連接，在默認的角度測量模式下讀取x和y軸傾角以及絕對轉角信號，角度信號通過CC2530無線模塊發送給上位機，同時還可通過OLED屏就地顯示。當在上位機中選擇加速度測量模式后，單片機則讀取X軸和Y軸的加速度信號并關閉OLED屏，然后由無線模塊將加速度信號發送至上位機。為實現串口通信，需將數據進行打包發送，數據包格式見表1。

表1 串口通信數據包格式

在上位機軟件中，采用生產者—消費者循環結構，生產者循環中完成對串口數據包的解析，在消費者循環中完成數據的處理，并設置事件結構實現測量模式的選擇。為更直觀地顯示被測物體的姿態，將.wrl格式的三維模型加載到三維圖片控件中，并將角度數據傳給三維模型，實現被測物體姿態的實時顯示。圖3為軟件流程圖，圖4為上位機操作和顯示界面。

圖3 下位機和上位機軟件流程圖

圖4 上位機操作和顯示界面

2 測量儀精度測試實驗

為檢驗角度測量儀的精度，使用上海臺工機床有限公司生產的F11100A型萬能分度頭分別對x和y軸傾角及360°絕對轉角進行角度精度測試，分度手柄轉一圈時主軸旋轉9°，其分度誤差為45"，精度高于0.1°，因此，可以作為測量基準對測量儀進行精度測試。對x軸傾角進行精度測試的安裝方式如圖5所示。

圖5 x軸精度測試實驗

測量時先調節分度頭和底座使測量儀x軸和y軸輸出角度為0°，然后轉動分度頭手輪，使其旋轉一周，這時主軸回轉角度為9°，記錄下測量儀輸出角度。經多次實驗得到的測量結果見表2、表3。

表2 x軸和y軸角度測試結果 (°)

表3 0°～360°絕對轉角角度測試結果 (°)

通過分析以上測量數據，可知測量儀具有0.1°的測量精度，電池充滿電后可連續工作10 h以上，關閉OLED屏的狀態下可工作更長時間。

3 結 論

本文將MEMS傾角傳感器芯片、單片機、ZigBee無線模塊和LabVIEW虛擬儀器軟件進行了有機結合，完成了無線數顯角度測量儀的設計。所設計的測量儀既可進行雙軸測量，也可實現單軸絕對角度測量，兩種測量方式均具有0.1°的測量精度；該系統具有體積小、功耗低、精度高、安裝和攜帶方便等優點，不但能就地顯示測量數據，還能通過ZigBee無線網絡將測量值傳送至遠端上位機以數字和圖形化方式顯示出來；其次，ADIS16209器件抗振性能高，能夠承受小于3 500gn的振動加速度，不但可以用于角度測量還可以用于振動測量，可進行x和y軸加速度測量，具有多功能的特點，用于振動測量時結構上需要進行抗震設計，這將是下一步改進的方向，隨著功能的增加，將具有非常廣闊的應用前景。

[1] 吳曉鵬,趙祚喜,胡 煉,等.ADIS16209 IMU在傾角測量中的應用[J].現代電子技術,2010(13):110-113.

[2] 梁應選.基于單片機的轉角測量系統設計[J].陜西理工學院學報:自然科學版,2015,31(3):44-48.

[3] 烏建中,張 珍,朱蓮萍.基于ADIS16209的360°絕對式轉角儀研制[J].中國工程機械學報,2010(4):474-479.

[4] 劉建航.基于PIC16F685的低功耗傾角測量儀的設計[J].微型機與應用,2014,33(21):19-21.

[5] 馬 海.基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程數據監測的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學,2010.

[6] Analog Devices Inc.High accuracy,dual-axis digital inclinometer and accelerometer datasheet ADIS16209.[EB/OL].[2008—03—01].http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADIS16209.pdf.

[7] 章偉聰,俞新武,李忠成.基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點[J].計算機系統應用,2011(7):184-187,120.

Design of wireless digital display for angle measurement meter based on MEMS*

HE Rong-hua, ZHANG Da-bing, PENG Wang-long

(School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

To meet the requirement of high precision double-axis or single-axis angle measurement,present a novel wireless digital display instrument for angle measuring,high precision digital MEMS measuring instrument with small volume and low power consumption for sensor chip by using 8-bit Microcontroller as the main control chip.The measuring instrument and three-dimensional display are being operated through ZigBee wireless module and the remote host computer.Meanwhile,integrated OLED screen can display measurement data on the spot with the function of double-axis ±90° incline angle measurement and single-axis absolute 0°～360° turn angle measurement.The test results indicate that precision of this measuring instrument is 0.1°,which has a high application value.

MEMS sensor; ZigBee wireless module; angle measurement; virtual instrument

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0104—03

2016—03—26

湖南省科技計劃資助項目(2014FJ3070)； 湘潭大學國家級大學生創新性實驗計劃資助項目(2014xtusj05)

TP212

A

1000—9787(2017)03—0104—03

何榮華(1994-)，男，學士，研究方向為機電一體化系統和微機電系統。

張大兵(1970-),男，通訊作者,博士，從事機電液控制、過程控制工作，E-mail：zdbpost@163.com。