基于ATMega16單片機的數字式水平測量儀設計

梁小椿 王慶泉

(嘉興學院機電工程學院 浙江 嘉興 314001)

0 引言

目前市場上出售的水平儀種類很多,有氣泡式和數字式的水平儀。氣泡式的水平儀可讀性不是很好,而市場上出售的數字式水平儀,大多都是專業的水平儀且價格昂貴。設計一種適合一線工程人員使用的高性價比實用水平測量儀是很有必要的,可以極大的方便廣大工程人員。

1 水平儀測量的原理

前人多采用差動變壓器式傳感器LVDT和CCD線列傳感器等傳感器來測量傾斜度[1],但這類傳感器的精度、抗干擾等都趕不上MEMS技術開發生產的高精度雙軸傾角傳感器。本文在設計中使用了MEMS技術的雙軸的SCA100T傾角傳感器來測量角度。該傳感器是芬蘭VTI公司在2005年推出[2]，是一種靜態加速度傳感器,當它靜止時作用在它上面的只有重力加速度，重力方向和傳感器敏感軸間的夾角就是傾斜角。該傳感器具有兩個模擬信號輸出和一個數字SPI接口,模擬輸出能提高信號的靈敏度并大大的減小共模噪聲。

SCA100T輸出的模擬電壓v0的范圍是0.5V到4.5V，電壓轉換成角度|?|的公式為:

由上式可以很方便的計算出SCA100T傾角傳感器的單個敏感軸與水平面的夾角。

下面討論如何通過雙軸傾角傳感器的兩個敏感軸測量出的角度來計算SCA100T傾角傳感器與水平面之間的任意角度。

通過幾何知識的理解和雙軸傾角傳感的兩個模擬輸出得到幾何立體圖形圖1:

圖1 SCA100T雙軸傾角傳感器測角圖

圖1中OX代表敏感軸X軸，OY代表敏感軸Y軸，由傳感器的原理可以知道OX⊥OY，及△OXY是直角三角形，平面OXY代表的是傾角傳感器所在的平面。平面AXY代表水平面。從O點作虛線垂直平面AXY,垂足為A點，連接AX,AY得到三角形△AXY,及OA⊥AXY。在過A點作AB垂直XY交B點，連接OB，可知△OAB是直角三角形。∠OXA是敏感軸X軸與水平面的夾角?，∠OYA是敏感軸Y軸與水平面的夾角β,∠ABO是傾角傳感器所在平面與水平面的夾角γ因為平面OAB⊥AXY平面。

由上面所給的條件和兩個平面相互垂直的定理可以證明γ就是所求傾角傳感器所在平面與水平面的夾角（兩個平面的夾角定理），其證明如下:

∴∠ABO為平面OXY與平面AXY的夾角γ

綜上所述γ是傾角傳感器所在平面與水平面的夾角的結論得到了證明。

接下來推導圖1中γ的計算公式。γ的計算公式推導如下:

又直角三角形OXY中由面積相等可得OB長度

∴由（4）可求傾角傳感器與水平面任意角度γ。

從圖1中可知，理論上式（2）已經可以計算出γ的值。但在實際應用中必須通過式（3）（4）進行校正，此時得到的γ值才是實際的值。這是因為之前假設的是OA=a，在計算的過程中就相當于a=1。加以校正后可知道AB的范圍是[0,|ob|]的（|ob|表示圖1中的OB的長度），這樣求出的γ的值才是[0°,90°]。

綜上可知，在實踐過程中SCA100T雙軸傾角傳感器在測量角度要接近90°時會有很大的誤差，于是用AVR單片機結合傾角傳感器可以測量出傾角傳感器與水平面之間在一定范圍內的任意角度。

2 硬件電路設計

系統的硬件組成框圖如圖2所示[3]。主要包括主控制器硬件電路、液晶顯示電路、傾角傳感器電路，信號調理電路等。

SCA100T雙軸傾角傳感器通過把被測對象的信號轉換成模擬信號通過信號調理模塊把信號進行調理在通過AVR自帶的10位AD把模擬量轉化成數據量交給主控制器進行處理在把得到的角度值讓液晶進行顯示。

圖2 數字式水平測量儀硬件組成

圖3所示為ATMega16單片機與SCA100T雙軸傾角傳感器的連接電路圖[4]。在該設計中采用的是5V直流電源供電，單片機的PA7腳和PA6腳分別接傳感器的模擬輸出的信號腳，習慣上在使用AVR單片機的自帶AD時在AREF腳接一只0.1uF的電容C1,電容C2和C3是用于濾除傳感器輸出的模擬電壓的高頻部分，使所得到的精度更高，但是它本身輸出的模擬電壓也經足以滿足設計的要求。

圖3 角度測量電路圖

3 測量結果與數據處理

把傾角傳感器所在任意平面與水平面的角度看成γ及實際的測量角，實驗測量的數據如表1所示:

表1 實驗測量數據表

從表1的實測數據可以直觀的看到標準角度與傾角傳感器所測量的角度之間的差別。在一定的范圍內他們之間是沒有多大的差別的，但是超過了一定的范圍誤差就開始越來越大。而這個范圍就是00到600，超過600之后的誤差就開始越來越大，在600到850的范圍內的誤差也不是很大只是比前面的誤差大一點，當達到850以后傾角傳感器所測量的數據就根本都沒有在誤差范圍內了，所以就都省去了。從上面的數據的分析也再一次說明了本設計對傾角傳感器測量在一定范圍內的任意角度的理論推算是正確的。

4 結束語

本文利用ATMega16單片機和SCA100T雙軸傾角傳感器感設計了數字式水平測量儀系統，完成了角度測量原理的理論推導、主控制器硬件電路、角度測量電路、液晶顯示電路的設計。通過C語言編程能夠實時的測出在一定范圍內的任意待測平面的傾斜角度，具有結構簡單、性能穩定、測量精確、使用方便的特點。實驗結果表明，所設計的系統能夠滿足數字式水平測量儀的設計要求，取得了良好的效果，對實際硬件電路的設計和編程都具有很大的輔助作用。解決了一些傳統電子水平儀無法解決的問題。

［1］王存堂,陽恩會,張建國,等.全方位電子水平儀的結構及測量原理分析[J].儀器儀表學報,2006,27(2):183-185.

［2］李振峰,高國偉,吳秀芹,等.兩維數字水平儀的設計與實現[J].傳感器世界,2009,15(2):24-26.

［3］從培田,孟海星,韓輝,等.基于C8051F005單片機和 MEMS加速度傳感器ADXL311的傾角儀[J].儀表技術與傳感器,2010(1):36-37.

［4］劉蘭香，張秋生.ATmega128單片機應用與開發實例[M].北京:北京機械工業出版社，2006.