基于加速度传感器的倾角仪设计
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基于加速度计的数字倾角仪误差建模与分析
ｙ
０ １ ０
Ａ
＼ 、● ● ●● ●● ●
０ ㈣
（ ５ ）
一
＋
（ ６ ）
式 中， △ ｏ △ ｎ 和 △ ｎ 分 别 为 加 速度 计 ３个 轴 的 测
图 ２ 传 感 器 安 装 方 式 和 坐标 系定 义
量 误差 ， ０ ｏ 、 ｙ 。 是 真 实 的俯 仰角 和滚 转 角 ， Ａ ０ 、 Ａ Ｔ是 俯 仰 角和滚 转角 的测量 误差 ， ｇ是 重力加 速度 。 加 速度计 的测量误 差 △ ｏ服从 参数 为 和 ｏ ｒ 的
１ ０ ７ ９
地 球表 面 及 附 近 的恒 定 重力 场 具 有 全 天候 、 方 向恒 定 和变化 小 等优 点 ， 为处 在 其 中物 体 的倾 角测 量提 供 了可能 。本 文采 用 “ 北、 东、 地” 坐标 系 ， 为 了
原理 ¨ 。 。 ］ ， 将 ３个 轴 的加速 度计 的测量 值 代 人上 述
Ｅ Ｅ Ａ ＣＣ： ７ ２ ２ ０ ； ７ ３ ２ ０ Ｅ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ４ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ－ １ ６ ９ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ８ ． ０ ０ ９
基 于加 速度 计 的数 字倾 角仪 误 差建 模 与 分 析 木
白渚铨 ， 张 晓明 ， 刘 俊 ， 王 宇 ， 赵 鑫 炉
倾角仪是一种精 确的角度测量装置 ， 按 敏感单 元
的不 同可分为 “ 单摆式” 倾角仪、 陀螺 式倾 角 仪 和 加 速度计 式 倾 角仪 等 。“ 单摆 式 ” 倾 角仪 结构 复 杂 、 制
造工艺难 度 大 、 测 量 范 围小 、 瞬 态 响应 差 、 稳 定 速 度 慢¨ 。高精度 的陀螺倾 角仪 测量 精度 很 高 ， 但是 其 测量误差 会随时间 累计 ， 且价格 昂贵 。加 速度计倾 角 仪 因其全 天候 、 干扰小 、 精度高等 特点脱颖而 出［ ４ － ６ ］ 。 基 于 加速 度 计 的倾 角 仪具 有较 高 的测量 精 度 ，
０ １ ０
Ａ
＼ 、● ● ●● ●● ●
０ ㈣
（ ５ ）
一
＋
（ ６ ）
式 中， △ ｏ △ ｎ 和 △ ｎ 分 别 为 加 速度 计 ３个 轴 的 测
图 ２ 传 感 器 安 装 方 式 和 坐标 系定 义
量 误差 ， ０ ｏ 、 ｙ 。 是 真 实 的俯 仰角 和滚 转 角 ， Ａ ０ 、 Ａ Ｔ是 俯 仰 角和滚 转角 的测量 误差 ， ｇ是 重力加 速度 。 加 速度计 的测量误 差 △ ｏ服从 参数 为 和 ｏ ｒ 的
１ ０ ７ ９
地 球表 面 及 附 近 的恒 定 重力 场 具 有 全 天候 、 方 向恒 定 和变化 小 等优 点 ， 为处 在 其 中物 体 的倾 角测 量提 供 了可能 。本 文采 用 “ 北、 东、 地” 坐标 系 ， 为 了
原理 ¨ 。 。 ］ ， 将 ３个 轴 的加速 度计 的测量 值 代 人上 述
Ｅ Ｅ Ａ ＣＣ： ７ ２ ２ ０ ； ７ ３ ２ ０ Ｅ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ４ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ－ １ ６ ９ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ８ ． ０ ０ ９
基 于加 速度 计 的数 字倾 角仪 误 差建 模 与 分 析 木
白渚铨 ， 张 晓明 ， 刘 俊 ， 王 宇 ， 赵 鑫 炉
倾角仪是一种精 确的角度测量装置 ， 按 敏感单 元
的不 同可分为 “ 单摆式” 倾角仪、 陀螺 式倾 角 仪 和 加 速度计 式 倾 角仪 等 。“ 单摆 式 ” 倾 角仪 结构 复 杂 、 制
造工艺难 度 大 、 测 量 范 围小 、 瞬 态 响应 差 、 稳 定 速 度 慢¨ 。高精度 的陀螺倾 角仪 测量 精度 很 高 ， 但是 其 测量误差 会随时间 累计 ， 且价格 昂贵 。加 速度计倾 角 仪 因其全 天候 、 干扰小 、 精度高等 特点脱颖而 出［ ４ － ６ ］ 。 基 于 加速 度 计 的倾 角 仪具 有较 高 的测量 精 度 ，
一种基于三轴加速度传感器的倾角测量装置
ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｉ ｒ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｒ ＡＲＭ７ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｗ ａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｅ ｄ ｏ ｎ １ ６ ０ ２ Ｌ Ｃ Ｄ．
ｇ
的静态 自校 正 以及肢体 运动 姿态 检测 等实 际场合 。但 在
全量程范 围内测量精度不高 的问题较突 出。
文 中使用 Ａ Ｄ Ｘ Ｌ ３ ３ ５三轴加 速 度传感 器 获取 姿态 信息 ， 经
Ａ Ｒ Ｍ ７微处 理器计算处理后 得到倾 角数 据并显 示在 １ ６ ０ ２液 晶
０． ２。 ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ｌ ａ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ； ｔ ｉ ｌ ｔ ｎｇ ａ ｌ ｅ； ｉ ｎ ｔ ｅ ｐｏ ｒ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
０ 引 言
＝
一
Ｌ Ｉ Ｚ ｈ ｉ ， ＷＡ Ｎ Ｇ Ｄ ｉ ， Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｈ ａ ｏ ， Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｈ ｏ ｎ ｇ — ｋ ｕ ｉ ， Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｙ ａ ｎ － ｊ ｕ ｎ
（ Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｈａ ｇ ｉ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎｄ ａ Ｒ ｏ ｂ ｏ ｉ ｔ ｃ ｓ ， Ｓ ｈ ｎｇ ａ ｈａ ｉ ２ ０ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ｇ
的静态 自校 正 以及肢体 运动 姿态 检测 等实 际场合 。但 在
全量程范 围内测量精度不高 的问题较突 出。
文 中使用 Ａ Ｄ Ｘ Ｌ ３ ３ ５三轴加 速 度传感 器 获取 姿态 信息 ， 经
Ａ Ｒ Ｍ ７微处 理器计算处理后 得到倾 角数 据并显 示在 １ ６ ０ ２液 晶
０． ２。 ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｔ ｒ ｉ ａ ｘ ｉ ｌ ａ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ； ｔ ｉ ｌ ｔ ｎｇ ａ ｌ ｅ； ｉ ｎ ｔ ｅ ｐｏ ｒ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
０ 引 言
＝
一
Ｌ Ｉ Ｚ ｈ ｉ ， ＷＡ Ｎ Ｇ Ｄ ｉ ， Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｈ ａ ｏ ， Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｈ ｏ ｎ ｇ — ｋ ｕ ｉ ， Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｙ ａ ｎ － ｊ ｕ ｎ
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基于ADXL345三轴加速度计的倾角测量系统
３ ］郭红英 ． 倾斜检测仪 设计 ［ Ｊ ］．电子制作，２ ０ １ ３年 Ｏ ６ 期 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 ３ Ｄ显 示 区 、Ｘ Ｙ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 。
器非均匀性研 究 ［ Ｊ ］ ． 科学技术与工程 ， ２ ０ １ １ ， １ １ （ １ ５ ） ： ３ ４ ４ ９ —
３ ４ ５ ５ ．
［ ８ ］ 朱铮涛 ， 黎 绍发 ．镜 头 畸 变 及 其 校 正 技 术 ［ Ｊ ］ ．光 学 技
术 ， ２ ０ ０ ５ ． ３ １ （ １ ） ： １ ３ ６ — １ ４ １ ．
Ｅ Ｌ ＥＣ ’ ｒ ＿ Ｒ （ ）Ｎ ｌ （ ： ｒ Ｓ Ｔ
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
（ 上接 １ ２ ６页 ）
表 １ Ｃ ａ ｎ ｏ ｎ ６ Ｄ 和 Ｐ Ｒ 一 ６ ５ ５ 测得 的平 均串扰值 比较
参考文献
［ １ ］ 吕涛 ，张景旭 ，付东辉 ．成像法测量积 分球 的亮度 均匀性
［ Ｊ ］ ． 应用光 学 ， ２ ０ １ ３ ， ３ ４ （ ２ ） ： ３ ０ ８ — ３ １ ２ ．
参考文献
［ １ ］李兴法 尹冠 飞 ． 数字式加速度传 感器 Ａ Ｄ Ｘ Ｌ ３ ４ ５的原理及 应 用 ［ Ｊ ］．黑龙江科技信息 ，２ ０ １ ０年 ３ ６期
由串 口通信和前面板控制与显示两部分组成 。
串 口通 信
２ ］石云波 赵 锐 唐军 刘俊 李科杰单片三轴大量程加速度传 通过调用 ｖ ｉ ｓ ａ串口驱动模块实现 ， 串行通信程序 ， 采用数据 ［ 感器性能测试与分析 ［ Ｊ ］ ．传感技术学报 ，２ ０ １ ２年 ｏ ９期 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
前 面 板 控 制 与 显示 前 面板 控制 与显示 部分 ， 包括 ３ Ｄ显 示 区 、Ｘ Ｙ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 。
器非均匀性研 究 ［ Ｊ ］ ． 科学技术与工程 ， ２ ０ １ １ ， １ １ （ １ ５ ） ： ３ ４ ４ ９ —
３ ４ ５ ５ ．
［ ８ ］ 朱铮涛 ， 黎 绍发 ．镜 头 畸 变 及 其 校 正 技 术 ［ Ｊ ］ ．光 学 技
术 ， ２ ０ ０ ５ ． ３ １ （ １ ） ： １ ３ ６ — １ ４ １ ．
Ｅ Ｌ ＥＣ ’ ｒ ＿ Ｒ （ ）Ｎ ｌ （ ： ｒ Ｓ Ｔ
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
（ 上接 １ ２ ６页 ）
表 １ Ｃ ａ ｎ ｏ ｎ ６ Ｄ 和 Ｐ Ｒ 一 ６ ５ ５ 测得 的平 均串扰值 比较
参考文献
［ １ ］ 吕涛 ，张景旭 ，付东辉 ．成像法测量积 分球 的亮度 均匀性
［ Ｊ ］ ． 应用光 学 ， ２ ０ １ ３ ， ３ ４ （ ２ ） ： ３ ０ ８ — ３ １ ２ ．
参考文献
［ １ ］李兴法 尹冠 飞 ． 数字式加速度传 感器 Ａ Ｄ Ｘ Ｌ ３ ４ ５的原理及 应 用 ［ Ｊ ］．黑龙江科技信息 ，２ ０ １ ０年 ３ ６期
由串 口通信和前面板控制与显示两部分组成 。
串 口通 信
２ ］石云波 赵 锐 唐军 刘俊 李科杰单片三轴大量程加速度传 通过调用 ｖ ｉ ｓ ａ串口驱动模块实现 ， 串行通信程序 ， 采用数据 ［ 感器性能测试与分析 ［ Ｊ ］ ．传感技术学报 ，２ ０ １ ２年 ｏ ９期 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
基于MEMS加速度传感器的倾角仪设计方法
加速度传感器的倾角仪的设计方法 ，并分析实现中
的难点及相应的解决办法 。
２ 倾角测量原理和方法
倾 角测 量 的基 本原 理是 ：通过 测量重 力加 速度
新 兴 的 ＭＥ ＭＳ加速 度传 感 器 体 积 小 、重 量 轻 、
功耗小 、启动快 、成本低 、可靠性高 、易于实现数 字化和智能化 ，且由于微机械结构制作精确 、重复 性 好 、易于 集成 化 、适 于 大批量 生产 ，它 的性 价 比 很高 ，所以基 于 Ｍ Ｍ Ｅ Ｓ传感器 的测量 系统 可实现
１ 引 言
目前许 多工程应用 中都需要对倾角进行测量 ， 并将这些测量值用于对系统的监测或控制 。特别是 空 中的飞行器 ， 其倾角值的获得直接关系着飞行控 制指令的生成 ，因此获得系统实时的倾角值是非常
重 要 的。
制作超小型化倾角仪 尚处于起步阶段 ，但这方面的
应 用需 求 却 十 分 广 泛 。本 文 主 要 讨 论 基 于 ＭＥ Ｓ Ｍ
ｄ￣ｔ ｉ ａ．Ｃ ｎ ｑ ｅ ｔ ， ｅｏ ｌ ｕｔ Ｃ ｅｍ ａｕｅ ｉ ｉ ｒ ｉｏ ． ｉｍｅ ｏ ａ ｅｇｔ ｉ Ｍ ｓ １ ｏｓ ｕ ｎ ｙ ｔ ｂｉ ｉ ａ ｂ ｅｓｒｄｗ ｔ ｈｇ ｐｅ ｓ ｎ Ｔ ｓ ｔｄ Ｃ ｔ ｅ ｎ ｇ ｅ ｌ ｈ ｑ ｙｎ ｈ ｈ ｃｉ ｈ ｈ ｎｈ
起 输 出加速度 的变化 约 为 ０ １ 。 由此 可见 要 实 ．５ｍｇ
・
［ 收稿 日期 】２０ ０ ０ ６— ７—２ ９
・ ・
［ 作者简 介】 苏
Ｄｅ ｉ ｎ Ｍ ｅ ｈｏ ｆＴｉ ｍ ｅ ｅ ａ ｅ ｎ Ｍ ＥＭ Ｓ Ａｃ ｅｅ ｏ ｅ ｅ ｓｇ ｔ ｄ ｏ ｌ ｔ ｔｒ ｂ ｓ ｄ ｏ ｃ ｌｒ ｍ ｔ ｒ
基于加速度计的数字显示倾角测量仪
优点的倾 角传感器之一 。本 设计通过倾角 传感器测量平 台
的倾角 ， 出电压信号 ， 输 经过运放放 大后 ， 出给单 片机 电 输
设计 中使用 的传感器 为 ＭＸ ２５ Ａ， 是位 于一单 片 Ａ００ 其 集成 电路 Ｃ ＳＩ 的完 整的加速 度测 量系统 。该 传感 ＭＯ Ｃ上
路进 行数据处理 ， 最后 ， 过数码管显示 倾角 的大小 ， 可 通 还 用做控制系统输 出控制信号调整平台的倾角 。
Ｌ Ｎ ｉ －ｏ Ｃ Ｉ ｏｇｊｎ Ｚ Ｅ ｕ － ｎ ，Ｓ Ｉ ｕ －ｏ ＬＵ Ｊｎ Ｉ Ｇ Ｘ ａ ｂ ， Ｕ ｎ － ， Ｈ Ｎ Ｇ ｏｙ ｇ Ｈ ｎｂ ， Ｉ ｕ ｏ Ｙ ｕ ｏ Ｙ
（ ａ ｉｎ ｌ ｙＬ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆ ｌ ｔｏ ｉ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｎ ｔ ａ ａ ｏ ａｏ ｙ ｏ ｅ ｒ ｎｃ ａ ｕ ｅ ｎ ｃ ｎ ｌ ， ｏ Ｋｅ Ｅ ｃ Ｔ ｇ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆ ｌ ｔｏ ｉ Ｓ ｉ ｃ ｐｒ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｎｃ ｃｅ ｅ＆ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｎ ｒｈ Ｕ ｖ ｒｉ ｆ ｈｎ ， ａｙ ａ ３ ０ １ Ｃ ｉａ ｏＥ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ， ｏ ｔ ｎ ｅｓ ｙｏ ｉａ Ｔ ｉｕ ｎ０ ０ ５ ， ｈｎ ） ｇ ｉ ｔ Ｃ
林 小波 ，崔永俊 ， 国涌 ， 云波 ，刘 俊 甄 石
（ 中北大学 电子科学与技术系 电子测试技术国家重点实验室 ， 山西 太原 ０ ０５ ） ３０ １ 摘 要 ：介绍了基于加速度计 ＭＸ ２ ５ Ａ的数字显 示倾 角测 量系统 ， Ａ ００ 简要 介绍 了系统 的组成 和工 作原
理； 阐述 了 Ｍ Ａ ００ Ｘ ２ ５ Ａ的外 围电路 、 运放 电路 、 显示 电路 的组成和工作 原理 ； 介绍 了对测得 数据 的处 理方
电子设计大赛实验报告——倾角测量仪
倾角测量仪的设计摘要当前，大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式(条式）水平仪。
其检测方法有诸多缺点,如测量值因人而易、功能单一、测量范围小等。
本倾角测量仪，它与传统的水泡式（条式)水平仪相比具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点，大大提高了工作效率。
本文详细介绍了一种利用倾角传感器、AD 转换器、单片机实现高精度倾角测量的方法,它可以测量—45°～+45°范围内的任意倾角,分辨率可达0.1°.此外，由于该倾角仪输出为数字结果，因此它也可以与其他的数字设备结合起来，组成一个功能更加强大的仪器.该装置可满足大量工程上的应用。
该数字倾角仪具有携带方便、精度高、功能多等特点。
它使用方便，应用范围广泛.该数字倾角仪可广泛用于建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿和地质勘探等各种需要测量重力参考系下倾角的场合。
关键词：倾角测量；AD转换器;单片机目录引言...。
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6第1章绪论.。
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.. 71。
1 测试系统方案选择....。
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.. 71.2 测试系统一般结构。
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加速度 陀螺仪 算倾斜角-定义说明解析
加速度陀螺仪算倾斜角-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在现代科技发展的背景下，加速度传感器和陀螺仪成为了物理学和工程领域中极为重要的传感器之一。
加速度传感器能够测量物体在三维空间内的加速度，而陀螺仪则可以测量物体在空间中的旋转角速度。
这两种传感器的结合应用可以帮助我们更准确地获取物体的运动信息，包括物体的倾斜角度。
本文将重点介绍如何利用加速度传感器和陀螺仪来计算物体的倾斜角度，探讨这种方法在实际应用中的重要性和发展前景。
通过深入了解这些传感器的工作原理和计算方法，我们可以更好地理解和利用它们在各种领域的应用，为相关研究和工程实践提供参考和指导。
1.2 文章结构文章结构部分包括了引言、正文和结论三个大的部分。
在引言部分，我们将对加速度、陀螺仪和算倾斜角的概念进行简要介绍，说明文章的结构和目的。
在正文部分，将逐一介绍加速度的概念、陀螺仪的原理以及算倾斜角的方法，并深入分析它们之间的关系。
在结论部分，将总结加速度和陀螺仪的作用，强调算倾斜角的重要性，并展望未来发展方向。
整篇文章将以此结构为蓝本，系统地介绍加速度、陀螺仪和算倾斜角的相关知识，为读者提供全面的了解和参考。
1.3 目的本文的目的在于介绍加速度和陀螺仪在测量和计算倾斜角时的重要性和应用。
加速度和陀螺仪是现代传感器技术中常用的两种传感器，它们在航空航天、汽车工业、智能手机等领域都有着重要的应用价值。
通过深入了解加速度和陀螺仪的原理以及两者结合计算倾斜角的方法，读者可以更好地理解这些传感器的作用和原理，同时也可以认识到它们在解决实际问题中的重要性。
希望通过本文的介绍，读者能够对这两种传感器有更清晰的认识，从而为其在实际应用中的选择和使用提供一定的指导和参考。
2.正文2.1 加速度的概念:加速度是物体在单位时间内速度改变的速率。
在物理学中，加速度通常用来描述物体在运动过程中的速度变化情况。
加速度的单位是米每秒平方（m/s^2），表示每秒钟速度增加或减小的米数。
基于MEMS传感器技术的倾角测量仪设计
Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ５ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ ｔ ｉ １ ｔ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ Ｓ ｏ ｆ Ｍ Ｅ Ｍ Ｓ ｔ ｉ ｉ ｔ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ａ ｎｄ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒｓ ， ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｈ ａ ｓ
Ｕ ｎｉ ｖ ｅ ｒ ｓｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｃ ｈｉ ｎａ ， Ｔ ａｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ５ １ ， Ｃ ｈｉ ｎ ａ：
Ｓ ｃｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏｇ ｙ ｏ ｎ Ｅ１ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ Ｔ ｅ ｓ ｔ ＆ Ｍｅ ａｓ ｕ ｒｅ ｍ ｅ ｎ ｔ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ．
ｍ ａ ｎ ｙ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ａ ｓ ｆ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗ ｓ ：ｓ ｍ ａｌ ｌ ｖ ｏ ｌ ｕ ｍ ｅ ，ｅ ａ ｓ ｙ ｔ ｏ ｃ ａ ｒ ｒ ｙ ，ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ， ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ｇ ａ ｎ ｔ ｉ ＿ ｊ ａ ｍ ｍｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｐ ａ ｂｉ １ ｉ ｔ ｙ
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 最后～位 为小数 。 倾角测量仪 与计算机通讯采用 的是 Ｕ Ｓ Ｂ转 串口 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 芯 片 Ｐ Ｌ ２ ３ ０ ３ ， 该 芯 片 一 次 性 完 成 Ｕ Ｓ Ｂ至 Ｔ Ｔ Ｌ电 平 的 转 换 ， 无 需 增 ［ １ ， ２ ］ 。 本文针对 这种需求 ， 设计 了基于 Ｍ Ｅ Ｍ Ｓ加速度 倾角传感器 结构简 单。 的倾角测量仪， 硬件采用 Ｓ Ｃ Ａ ６ １ ０倾角传感器 ， Ａ ｔ ｍ ｅ ｇ ａ ８单 片机 ， 加电平转 换芯 片， 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 ，
基于ADXL345三轴加速度计的倾角测量系统
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）摘要：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。
关键词：三轴加速度传感器；LabVIEW ；倾斜角An angle measuring system based on ADXL345 three axisaccelerometerHu Daidi,Wang Xiaoli(1.SIAS International College of Zhengzhou University，450001)Abstract ：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. Keywords ：three axis acceleration sensor;LabVIEW;tilt angle0 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。
基于微加速度传感器的倾角传感器
扣央动 极板
器用于操作动作频 繁 、 天等环境恶劣 的场合 ， 露 因此在 响应速 度、 可靠性 、 体积 、 稳定 性 、 用寿命 和成本方 面要求 很高 。基 使 于Ｍ Ｍ Ｅ Ｓ加速度传感器 的倾 角传感器 采 用体积小 、 功耗低 、
响应 速 度 快 和 高 可靠 的 传 感元 件 ， 已经 广 泛 应 用 于工 程 机 械 领 域 。然 而 此类 倾 角 传 感 器 均存 在零 位偏 差 ， 果 不 对 倾 角 传 感 如 器 进 行 零 位偏 差 补 偿 ， 会 影 响 倾 角 传感 器 的 精 度 。 将 １ 倾 角传 感 器 的 测量 原 理
ｏ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｍａ ｈ ｎ ｒ ． ｆｅ ｇｎ ｅｉ ｃ ｉ ｅ ｙ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ ｍｉｒ ｃ ｅｅａ ｉｎ ｓ ｎ ｏ ；ｔ ｔｓ ｎ ｏ ；ｚ ｒ ｆ ｅ ；ａ ｇ ｅ ｐ ｒ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｃｏ ａ ｃ ｌ ｒｔ ｅ ｓ ｒ ｉ ｅ ｓ ｒ ｅ ｏ ｏｆ ｔ ｎ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｌ ｓ ｉｏ
４０ ０ ） １ １０ （ 一 重 工股 份 有 限 公 司 ， 南 长 沙 三 湖
摘要 ： 阐述 了倾 角传 感 器 的 应 用领 域 及 应 用要 求 ， 出 了 目前倾 角 传 感 器存 在 的 问题 。分 析 了倾 角 传 感 器的 测 量 原 指
理和计算方法， 出了一种角度分段算法 ， 提 并通过零位标 定补偿微加速度传 感器固有的零位偏差。介绍 了Ｓ Ｔ Ｙ Ｓ倾角传 感 器的软硬件 系统 ， 通过在混凝土泵车上的试用证明 Ｓ Ｔ Ｙ Ｓ倾角传感器是一款满足工程机械特定要求的倾角传感 器。
ａ ｇｅ ｐ ｒ ｔ ｎ ａｇ ｒｔｍ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｎ ｌ ａｔ ｉ ｏ ｉ ｉｏ ｌ ｈ ｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ，ａ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｚ ｒ ｏ ｉｏ ｅ ｒａ ｉｎ ，ｔｅ ｉ ｈ ｒ ｎ ｅｏ ｏｆｅ ｆｔｅ ｍｉｒ ｃ ｅｅ ａ ｎ ｈ ｏ ｇ ｈ ｅ ｏ ｐ ｓｔ ｎ ｄ ｍａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｈ ｎ ｅ ｅ ｔ ｒ ｆ ｔ ｃｏ ａ ｃ ｌ ｒ— ｚ ｓ ｏ ｈ ｔ ｎ ｓ ｎ ｏ ａ ｅ ｎ ｃ ｍｐ ｎ ａｅ ． ｈ ｏｔ ａ ｅ ａ ｄ ｈ ｒ ｗａｅ ｓ ｓｅ ｏ ｅ Ｓ Ｔ ｉ ｅ ｓ ｒｈ ｓ ｂ ｅ ｎｒ ｄ ｃ ｄ Ｔ ｅ ｔ ｓ ｏ ｈ ｉ ｅ ｓ ｒｈ ｓｂ ｅ ｏ ｅ ｓ ｔｄ Ｔ ｅ ｓ ｆ ｒ ｎ ａ ｄ ｒ ｙ ｔｍ ｆｔ Ｙ Ｓ ｔ ｔｓ ｎ ｏ ａ ｅ ｎ ｉ ｔ ｕ ｅ ． ｈ ｅ ｔ ｎ ｔｅ ｏ ｗ ｈ ｌ ｏ
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N = (160 μgn / Hz) × W ×1. 6
(4)
可以看出 ,降低测量带宽可以降低噪声水平 ,提高信
噪比 。如带宽为 10 Hz 时平均噪声为 0. 64 m gn ,最
大噪声为 3. 8 m gn ;带宽增加到 100 Hz ,噪声最大值
达到 13 m gn 。同时 ,带宽决定了测量角度的分辨
但是 PWM 波频率的提高对微控制器的速度会有更
高要求 ,从式 (1) 可以看出 ,较低的处理器速度会带
来 T1 时间内计数的更大误差 ,并且要提高分辨率 需要提高 T2 时间的计数次数 ,因此设计过程中 T2 的确定要综合带宽 、处理器和计数器速度及分辨率
的要求等共同决定 。
3. 2 加速度传感器的参数校准
软硬件设计等 ; 熊 超 (19812) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向为智能控制 、嵌入式系统 、计算机视觉等方面 。
362
传 感 技 术 学 报
2006 年
有良好的温度特性 ,无需外部的温度补偿电路 ,具有 测量精度高 、功耗低 、价格低等特点 ,适合用于较高 精度的测量系统[4] 。
号 ,并计算倾斜角度和误差补偿 ;加速度值和倾角值 可以实时在 L CD 上显示 ,并通过单片机的串行通信 功能和 RS232 转换电路与外围设备连接 。在单片 机中预先存储采样参数和误差校正参数 ,有利于提 高测量的精准度 。 2. 2 系统软件设计
单片机采用中断方式采样加速度传感器的两路 静态加速度信号 。利用定时器产生的时间基准测量 各个时刻加速度传感器输出的 PWM 波的正脉宽 T1 。然后通过公式 (1) 、(2) 计算对应 x 轴和 y 轴的 加速度和倾斜角度 。软件流程图如图 3 所示 。
用单片机对输出的 PWM 波进行处理 ,测量出
方波周期 T2 和脉冲宽度 T1 ,通过公式 (1) 计算出加
速度 :
a = ( T1 / T2 - μ0 g ) /μ1 g
(1)
式中 ,μ0 g 为加速度为 0 gn 时对应的占空比 , 典型值
为 50 %;μ1 g 为 1 gn 加速度变化引起的占空比变化
值 ,典型值为 30 %; T2 为采样周期由外接电阻 RSET
决定 ,并且 T2 = RSET / 125 MΩ。
当加速度传感器的 X 轴或 Y 轴位置相对于重力
场发生变化时 ,重力将在相应方向产生分量 ,测量两
个方向的重力分量 , 可以计算出沿相应轴向的倾角
变化 。
[angle ] ( x) = arcsin ( A x / 1 g)
图 1 ADXL213 功能结构图
ADXL213 输出的是周期可调的与加速度成比
例的脉宽调制信号 。用户通过外加电容 CX , CY 定
低通滤波器的带宽 ,可以提高测量分辨率 ,抑制噪
声 。系统中为了提高测量的分辨率和降低噪声 ,调
整 C(X, Y) 使滤波带宽略大于被测频率 , 并使 PWM
波的频率大于滤波带宽的 5 倍以上 。
在温度影响下 ,加速度传感器会产生偏移 。对
温度的偏移补偿可以使用下面公式 :
A OC = A + ( a + b × T + c × T2 )
(6)
AOC 是温度补偿后的加速度信号 , A 是未经补偿的加
速度 , T 是温度 , a, b, c 是根据加速度传感器所选定的
参数 。要获取这些参数需要在整个温度范围内选三个
第2期
田小芳 ,陆起涌等 :基于加速度传感器的倾角仪设计
363
率 ,减小带宽可以提高测量分辨率 ,但是会带来响应
速度的降低 。而提高测量的响应频率 ,采用过大的
带宽 ,将会给测量带来更多噪声 ,降低精确度 。
传感器输出的 PWM 波周期由 RSET决定 。实验 证明 ,提高 PWM 波的频率可以降低噪声的干扰 。
(2)
[angle ] ( y) = arcsin ( A y / 1 g)
2 系统软硬件设计
2. 1 硬件结构设计 测量电路主要由图 2 所示的几部分组成 。
图 2 倾角测量结构图
加速度传感器部分由 ADXL213 及其外围滤波 和调节电路构成 ,可以进行带宽和测量频率的选择 ; 利用单片机处理 ADXL213 产生的占空比调制信
输出最大值时表明 X 轴输出为重力加速度 1 gp ,记 为 Xmax ;将 PCB 板旋转 180°,同样测出 - 1 gp 时的输 出 ,记为 Xmin ,可以计算出 0 gp 和 1 gp 时的参数 :
0 gp = ( Xmax + Xmin ) / 2 (5)
1 gp = ( Xmax - Xmin ) / 2 在软件设计中加入处理标定的程序 ,可以提高
倾角仪相比具有很高的灵敏度和响应速度 ,实验表明可满足实际工程应用要求 。
关键词 :加速度传感器 ;倾角测量 ;误差校正 ;ADXL213 ;单片机系统
中图分类号 :TP212. 1
文献标识码 :A 文章编号 :100421699( 2006) 0220361203
许多应用领域中经常需要测量某个平面是否处 于水平 、垂直位置 ,或者测量相对于水平面的夹角 , 例如需要检测桥梁各梁臂的角度 ,自倾斜火车需要 利用倾斜角来补偿离心加速度 ,测距仪 、投影仪等仪 器的水平校准等 ,并且需要高精度 、数字化和快速响 应[1] 。目前使用的倾角传感器多基于“液摆式”电解
由于器件的差异 ,芯片的基本参数 (0 gp ,1 gp ) 各有差异 ,此外同一器件的 x 轴 、y 轴的参数也有不
同 ,因此使用参数典型值时会引起误差 。要提高测
量精度 ,就需要在使用前标定相关参数 。同时由于
PCB 板的平整度和芯片焊接引起的传感器初始位
置的偏移 ,使用在水平面上校准 0 gp 的平衡标定方 法不实用 。为了得到更高的精度 ,可以采用重力场
质检测 ,价格昂贵 ,响应速度慢[2 ,3] 。本文利用新型 单片双轴 M EMS 加速度传感器 ADXL213 设计了 全数字化的倾角测量仪 ,具有响应速度快 ,使用方便 等特点 ,可同时测量两个垂直方向上的倾斜角度 ,并 且扩展了与其他仪器的通信功能 。对加速度传感器
ADXL213 使用过程中提高测量精确度的方法和误 差补偿进行了研究分析 。
图 3 软件流程图
PWM 波的周期 T2 是由 RSET 决定 ,在测量过程 中需要选择高精度的电阻使之漂移很小 ,这样可以 简化采样程序 ,提高加速度和倾角的计算速度 。
3 提高测量精度的若干问题
3. 1 测量频率与带宽的确定 使用加速度传感器测量过程中有两个重要的参
数需要确定 ,即测量频率和滤波器带宽的设计 ,这会 直接影响测量的精确度和噪声水平 。带宽 ( W ) 是由 低通滤波器 ×RF ×C( X , Y)
(3)
式中 , RF 为传感器内部滤波器电阻 , C(X,Y) 为外加调整
滤波电容。在设计中 ,首先要确定被测加速度的频率范
围 ,然后再设计滤波器的参数 ,要使滤波器的带宽略高 于被测频率 , 这样可以滤除振动等高频干扰[4] 。同时。 ADXL213 的噪声是与带宽成正比的 ,关系为
测量精确度 。使用中 ,也可以通过把倾角仪放在任
意稳定的平面上 ,测出 X 轴 (或 Y 轴) 的输出 A ,然
后旋转 180°测出 X 轴 (或 Y 轴) 的输出 B ,计算出平
均值 ( A + B) / 2 作为 0 gp 时的值 ,并在计算倾角时 除去该值 。
3. 3 无加速度时零偏对温度的补偿
基于加速度传感器的倾角仪设计
田小芳 ,陆起涌 ,熊 超
(复旦大学电子工程系 ,上海 200433)
摘 要 :在分析加速度传感器 ADXL213 测量倾角原理和方法的基础上 ,设计了基于 ADXL213 的数字化双轴倾角测量仪 ,并
介绍了其软硬件实现 。通过选择合适的测量频率和带宽 、对初始参数校准和误差补偿等方法提高了测量的精确度 ,与传统的
第 19 卷 第 2 期 2006 年 4 月
传感技术学报
CHIN ES E J OU RNAL O F S ENSORS AND ACTUA TORS
Vol . 19 No. 2 Ap r . 2006
Design of Tilt2Sensor Based on Accelerometer
T I A N X i ao2f an g , L U Qi2y on g , X I O N G Chao
( E. E. Dept m. Fu dan Uni versit y , S han ghai 200433 , Chi na)
Abstract :The p rinciple of tilt detecting using accelero meter ADXL213 is analyzed. The designing met hod of digital dual tilt2sensor based o n ADXL213 and t he hardware and soft ware implement are al so described. The p recisio n is imp roved by selecting t he p roper f requency and bandwidt h , calibrating t he initial parame2 ter and co mpensating t he erro rs. Co mpared wit h t he co nventio nal met hod , it has high sensitivit y and rapid respo nsibilit y. Experimental measurement s show t hat it is fit for p ractical engineering applicatio n. Key words :accelero meter ; tilt detecting ; error correctio n ; ADXL213 ; MCU system EEACC :7230 ;7320 E