基于MEMS傳感器技術的傾角測量儀設計

郝 騫 馮敦超 馬慧卿 齊明思

（中北大學國家級電工電子實驗教學示范中心，太原 030051儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051 ）

1 引言

目前很多工程應用領域需要進行精確、大量程的角度測量以及水平面的確定，并把采集到的數據交由計算機分析處理[1,2]。本文針對這種需求，設計了基于MEMS加速度傾角傳感器的傾角測量儀，硬件采用SCA610 傾角傳感器，Atmega8 單片機，數碼管和串口數據通訊。軟件方面進行了傳感器的線性度擬合，開發了簡單的計算機上位機軟件。該測量儀可以做到開機即可使用，方便與計算機連接。

2 測量原理

當物體水平放置時，且不受其它外力的作用時，它受到豎直向下的重力加速度的作用；而當物體放置在一個傾斜的平面上時，物體的重力加速度就可以分解為沿著平面的加速度分量和垂直于平面的加速度分量。當測得物體的下滑分量加速度α，就可以通過的公式(1），(2)計算出物體的傾斜角。

3 系統硬件設計

傳感器采用芬蘭VTI公司的單軸電容式MEMS傾角傳感器SCA610，+5V供電，低溫漂，量程-90°～+90°，模擬電壓輸出，范圍0.5V～4.5V。單片機使用ATMEL公司的Atmega8單片機，自帶8路10位ADC。硬件框圖如圖1所示。

顯示分為數碼管和上位機兩種方式，使用的是4位共陽數碼管，其中最高位用于顯示正負，其余三位前兩位是十位和各位，最后一位為小數。傾角測量儀與計算機通訊采用的是USB轉串口芯片PL2303，該芯片一次性完成USB至TTL電平的轉換，無需增加電平轉換芯片，結構簡單。

4 系統軟件設計

系統上電后，首先初始化ADC和定時器，為了濾除噪聲，采用連續采集20次傳感器的輸出電壓取平均的方式。然后進行角度轉換，通過定時器定時刷新數碼管，防止數碼管閃爍，同時通過串口把角度值輸出至上位機。主程序框圖如圖2所示。

圖1 傾角測量儀硬件框圖

圖2 主程序流程圖

本測量儀能夠適應大多數工程測量場合的一個重要因素在于可以隨時改變兩點位置，當測量儀處在某一角度是按下按鍵系統就會以此角度為零度重新測量。

中斷刷新數碼管程序框圖如圖3所示。

為了便于在計算機端顯示，利用Visual Basic 開發了上位機軟件，能夠實現簡單的記錄和圖形化顯示，界面如圖4所示。

圖4 上位機界面

5 測試結果

為了提高傾角傳感器的補償準確性，在測試開始前對傾角傳感器進行標定，又稱偏移校準。標定方法如圖5 所示。將儀器放在校準后的水平位置，將此時的輸出值記做0度值。如果沒有精確的水平面，可用任何穩定的平面代替。測出下圖中位置A與位置B的輸出，計算出平均值{ ( VoutA + VoutB ) / 2 }并記做零度值。

圖3 中斷服務程序

圖5 傾角傳感器標定

實測結果為：

利用標準角度儀器對傾角傳感器進行準確度驗證，驗證時注意角度的精確性，以保證測量準確性。其原理是利用傳感器制造參數及相應公式，根據輸入電壓、標準標定角度、輸出電壓，計算相應測量參數，從而為角度測量制定參考標準。還應注意在每次測量前都要進行標定。實測結果如表1 所示：

表1 傾角傳感器實際輸出電壓與傾角的關系

從圖6可以看出理論值、實際值以及8次擬合后的值的關系，可得傾角傳感器的輸出電壓遵循正弦函數關系。

圖6 理論值、實測值和擬合數據

6 結論

本文設計的傾角測量儀攜帶方便，讀數精確，達到±0.3°，顯示清晰，可以通過上位機進行分析處理，并且能夠實現隨時改變零點位置，極大的擴展了應用領域。

[1]沙承賢, 李杰, 翟成瑞等.基于MEMS加速度傳感器的數字傾角儀設計[J].傳感器與微系統, 2010, 29(6):134-136

[2]段曉敏, 李杰, 劉文怡等.基于MEMS加速度計的數字傾角測量儀的研究[J].電子設計工程, 2009, 17(8):71-72

[3]加德納，瓦拉丹，阿瓦德卡里姆著，范茂軍等譯.微傳感器MEMS 與智能器件[M].中國計量出版社, 2007, 09

[4]王冬生，王森明，胡桂珍.MEMS技術概述[J].機械設計與制造,2006, 04: 106-108

[5]蘇軍, 王占平.基于MEMS加速度傳感器的傾角儀設計方法[J].實驗科學與技術, 2006,S1:112-114,159

[6]Lijun Tang,Kairui Zhang, Shang Chen inc.MEMS inclinometer based on a novel piezoresistor structure[J].Microelectronics Journal,2009,40: 78-82