數字傾角水平測試儀的研究與設計

李昆侖

（湖南應用技術學院,410000）

數字傾角水平測試儀的研究與設計

李昆侖

（湖南應用技術學院,410000）

角度測量在幾何量測量中有著重要的地位，而傾角儀是測量平面角度的一種重要儀器。因此，傾角儀在道路橋梁、機器人技術、車電子控制、測繪儀器、建筑機械、設備安裝、天線定位、海上平臺監(jiān)控等方面都有著廣泛的應用，是人類生產活動中經常用到的一種工具。本文介紹了傾角儀的工作原理、傳感器的選型，并以低功耗、精度高、全方位快速測量為目標，探究了傾角儀的測量原理及數據顯示控制系統(tǒng)。

數字傾角儀;傳感器;單片機

0　引言

傾角儀是一種用來測量傾斜度的測量儀器，它作為一種重要的通用工具，在經濟建設、國防建設和科學技術各部門中發(fā)揮著重要的作用，廣泛應用于工業(yè)、軍事、航空、航海以及通訊等各種領域。隨著現代測量技術的迅速發(fā)展，無論是單臺測量儀器還是整個測試系統(tǒng)都朝著數字化、智能化、多功能、小型化、模塊化、標準化和開放型方向發(fā)展彈等。本文的探究目的是探索研制一種便攜式、高精度、數字式角度智能計量檢測儀器，即將微控制器嵌入到便攜式計量檢測儀器中，使其具有低功耗的特點，有標準的總線接口，可實現較大范圍的高精度檢測的特點。

1　數字傾角儀的簡介

1.1傾角儀的分類

傾角儀的種類可以分為傳統(tǒng)傾角儀、電子傾角儀和新發(fā)展起來的數字傾角儀，傳統(tǒng)傾角儀又稱作水平儀，大多是基于水泡式測量，是一種測量小角度的常用量具；電子傾角儀，大多是基于“擺”的工作原理，即利用重力場內“擺”力圖保持在鉛垂方向的特性來設計各種傾角儀；至于數字傾角儀，一般采用采用的是MEMS重力加速度傳感器，傳感器的內部是一個帶工字梁的重力擺，當角度變化時，重力擺的位置也會變化，從而根據重力擺的變化測量出角度。本文的目標是設計一種低功耗、精度高、全方位快速測量的數字傾角儀，所以是以MEMS傳感器技術為基礎設計一種數字傾角儀。

1.2MEMS 技術

隨著人類科學技術的快速進步，我們在MEMS技術領域內取得了豐碩的成果，使得這一技術逐步地被應用到人類生產生活的方方面面。MEMS 是英文micro electromechanical system的縮寫，翻譯成中文就是微機電系統(tǒng)，指采用微機械加工技術研制的集微執(zhí)行器、微型機、微傳感器及信號處理和控制電路、通信、接口等單元于一體的可以感知外界信息(磁、熱、光、力等)的微型器件或微型系統(tǒng)。MEMS技術是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的多學科交叉的前沿科學技術領域，歷經了幾十年的發(fā)展，現在已經發(fā)展成為世界矚目的重大科技進步領域之一，它涉及到機械、材料、物理學、電子學、等多個學科領域，具有廣闊的應用前景。

MEMS 傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。目前，國內外對MEMS傳感器的研究工作已經有了很大的進展，各種不同類型的高性能 MEMS傳感器正在逐步取代傳統(tǒng)的大體積傳感器。

2　數字傾角儀工作原理

2.1數字傾角儀的角度測量原理

圖1　數字傾角儀的設計流程

目前，電子傾角儀所使用的測量傳感器主要有光電傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、以及力傳感器等，通常其檢測電路也比較繁瑣，體積較大，分辨率不夠高?；谶@些問題人們在大力開發(fā)新型的數字式傳感器，本文采用的就是基于 MEMS 傳感器技術的數字傾角儀。國內外對基于 MEMS 加速度計設計的數字傾角儀的設計過程大部分是按下圖所示的流程來完成的。

MAMS傳感器是基于重力加速度原理的，由于重力加速度g的方向始終垂直向下，如果空間平面不水平，即與重力加速度之間有夾角，那么重力加速度在這個空間平面上的投影不為0；如果空間平面水平即重力加速度g垂直，那么重力加速度在平面上的投影為0。利用重力與傳感器輸出之間的關系，我們就能夠得到所測的角度值。其中AX是代表加速度傳感器的輸出量，是傳感器傾角。

這種在通過測量加速度原理測量角度的方式，是以重力為輸入矢量來決定物體在空間的姿態(tài)，這里指物體的角度反應。把加速度傳感器固定在物體的水平面上，當物體角度改變時，加速度傳感器的敏感軸隨之轉動一定角度，由于重力的作用，傳感器敏感軸上的加速度會發(fā)生改變，因此可以通過測量加速度的變化來反映物體的角度偏轉。另外，我們也可以從電子電路的觀點來看傾角儀的測量原理，傾角傳感器在重力作用下傳感器中的慣性質量塊會相對于兩個極板發(fā)生偏移，導致兩極板的電容發(fā)生變化，從而輸出電壓發(fā)生變化，從而測量出傾角。一般來說，加速度低于1g 時主要用來測量傾角，加速度高于 1g 時用來測量加速度，沖擊，振動等，另一方面，傳感器中充有惰性氣體，充當阻尼，當頻率較低時基本不受到加速度大小的影響。

2.2液晶顯示及接口電路設計

為了將測量結果通過液晶顯示屏直觀的顯示出來，人們在設計傾角儀時需要選擇一種液晶顯示屏。 HZ128-64D20是人們經常使用的一種漢顯模塊，該模塊具備全部國標GB2312漢字的顯示和智能拼音輸入法，及支持32個鍵盤或12個IO口，比較適用于人機對話場合，比如家用電器、機床數據設置、數據監(jiān)測顯示等。同時，本模塊采用12點陣的漢字顯示，這樣可以在同樣的成本和面積下多顯示一些漢字。其功能特點: 本模塊價格低廉，可以在讓快速開發(fā)產品和保證產品質量的同時，節(jié)約大量的成本，這是生產設計中很重要的一個原則；HZ128-64D20 漢顯模塊支持Unicode字符串顯示，支持12個IO輸入輸出，并且支持最多32個鍵盤輸入以及背光亮滅指令控制；該模塊全屏幕可以顯示每行9.5 個共5行標準宋體漢字。或者19×5個ASCII字符，也可以混合顯示。字間和行間均有一個點的間距；最后，該模塊自帶 GB2312 一、二級漢字12點陣全部漢字字庫、全部的中文符號和全部的半角ASCII字符。

2.3單片機與液晶屏接口程序設計

單片機與液晶屏接口程序主要有液晶模塊操作程序、控制管腳電平模擬、單片機初始化等。液晶模塊操作程序主要包括發(fā)送命令、顯示數據、顯示初始化等幾個部分，而單片機初始化主要包括定時器初始化、串口初始化、A/D初始化和時鐘初始化等。這一程序需要用到單片機上的串口0，串口初始化與串口1的設置相似。其相應管腳為P3.4和P3.5，因此端口初始化的依舊是P3口，通過軟件將管腳P3. 4和P3. 5設置為串口0的管腳，數據通信傳輸依然采用中斷方式。根據HZ128-64D20漢顯模塊提供的大量指令操作，在程序的基礎上，就基本可以實現數據的顯示最后，在顯示數據前，我們還需要對HZ128-64D20模塊進行初始化，初始化順序為:關顯示，正常顯示驅動設置，占空比設置，復位，ADC選擇，清屏，開顯示。

3　結語

隨著人們對生產活動要求的不斷提高，人們需要利用新信息技術產業(yè)來優(yōu)化我們的生產過程。基于MEMS 加速度傳感器的數字傾角儀是一種可以測量物體傾角的儀器，在工程實踐和科學研究中有著廣泛的應用。最后要說的是，本文介紹的只是數字傾角儀理論中的冰山一角。我們在對傾角儀做相關的調研后，介紹了傾角儀的分類，分析了基于MEMS加速度計的傾角儀的工作原理，介紹了液晶屏幕的基礎電路和程序設計過程。

[1] 張洪剛，吳敬國.電容傳感器及其納米量級定位技術[J].傳感器技術，2001(10)： 3-5.

[2] 徐普君.基于無線傳感器網絡的機場助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)[D].中國知網優(yōu)秀論文數據庫，2010.

[3] 李哲，基于MEMS傳感器技術的數字式傾角儀的研究[D].中國知網優(yōu)秀論文數據庫，2012.

Research and design of digital dip angle tester

Li Kunlun
（Hunan Institute of Applied Technology,410000）

Angle measurement plays an important role in geometric measurement,and the angle measuring instrument is an important instrument for measuring plane angle.Therefore,the inclinometer is widely used in road and bridge,robot technology,vehicle electronic control,mapping equipment,construction machinery, equipment installation,antenna positioning, monitoring and other aspects of offshore platforms,is a tool often used in the production of human activities.This paper introduces the working principle of the tilt meter, the sensor selection,and with low power consumption,high precision,fast measurement as the goal, to explore the measurement principle and data display control system.

Digital dip meter;sensor;single chip microcomputer

腳注：湖南應用技術學院校級資助項目，項目編號：2015YYYB09

李昆侖（1986-），男，碩士研究生，畢業(yè)于廣西師范大學，從事機器人和在線監(jiān)測技術研究。