基于ADXL345三軸加速度計的傾角測量系統

（鄭州大學西亞斯國際學院，450001）

基于ADXL345三軸加速度計的傾角測量系統

胡代弟,王小麗

（鄭州大學西亞斯國際學院，450001）

本文提出并設計出一種傾角測量系統，該系統采用ADXL345三軸加速度傳感器，實現加速度的測量，并通過計算得到X、Y、Z三個方向的傾角值。再通過串口發送到上位機，基于LabVIEW上位機軟件，根據測得的數據，通過三維的方式重現被測物理的運動姿態。

三軸加速度傳感器；LabVIEW；傾斜角

0 引言

傾角測量廣泛地應用于飛行器的姿態測量、車輛平衡性測試、肢體運動姿態等諸多領域。采用MEMS加速度傳感，可以測量空間加速度，能夠全面準確反映物體的運動性質。再通過基于LabVIEW上位機軟件，三維重現被測物理的運動姿態。

該測量系統主要由：三軸加速度傳感器、單片機、上位機三部分組成。系統框圖如下：

其中，三軸加速度傳感器安裝在被測物體上，當被測物體運動時，傳感器測得加速度值。單片機通過計算轉化為三軸傾角值，再通過串口發送上位機。上位機軟件根據數值三維重現運動姿態。

圖1 系統框圖

1 三軸加速度傳感器

微電子機械系統（MEMS）是一種將微機械結構與電路集成在一塊單硅芯片的半導體技術。MEMS加速度計是基于這種技術的一種傳感器，旨在實現對單軸、雙軸和三軸情況下加速度的感知。

目前，三軸加速度傳感器已在智能手機中得到廣泛應用。手機屏幕會隨著角度的不同智能旋轉、極品飛車等游戲中的方向盤以及微信中搖一搖等都是利用它實現的。三軸加速度傳感器還廣泛地用于穿戴式電子，如手環中的運動檢測，計步測量。還有硬盤防跌以及汽車運動姿態測量等領域。

本系統選用美國AD公司的ADXL34數字加速度計，這是一款體積很小的超低功耗三軸加速度計，分辨率為13位，測量范圍達±16g。數字輸出數據為16位二進制補碼格式，可通過SPI或I2C數字接口訪問。

該傳感器，非常適合移動設備應用，可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態加速度。其分辨率可達3.9mg/LSB，能夠測量不到1.0°的傾斜角度的變化。

圖2 ADXL345的檢測軸

ADXL345檢測軸如圖2所示。當ADXL345沿檢測軸正向加速時，它對正加速度進行檢測。需要注意的是，在檢測重力時，當檢測軸的方向與重力的方向相反時檢測到的是正加速度。ADXL345采用3 mm×5 mm×1 mm，14引腳小型超薄塑料封裝。傳感器的安裝方向需要與被測物體保持一致。

2 單片機控制器

單片機采用STC12C5A60S2，該單片機為宏晶公司推出的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗的新一代51單片機，指令代碼完全兼容傳統8051。該單片機還集成了2路PWM，8路高速10位A/D轉換器等。

在本設計中，傳感器ADXL345采用I2C接口與單片機相連。傳感器的7位I2C地址為0x53，緊隨其后的是位。通過將SDO/ALT ADDRESS引腳連接到VDD I/O引腳來選擇I2C的替代地址。此配置下的7位I2C的地址是0x1D，緊隨其后的是位。

圖3 ADXL345采用I2C接口與單片機相連

圖4 上位機實時顯示傳感器的位置姿態

單片機通過I2C接口協議讀取三軸加速測量值，并轉化為X，Y，Z三個方向的傾角值，通過串口，按照一定的協議發送到上位機。該系統測傾角值的測量分辨率為1°。

3 基于LabVIEW的上位機軟件

上位機采用LabVIEW軟件設計完成，LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發，其最大的特點是采用圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。該軟件，在工程測量領域有著廣泛的應用。

上位機通過串口接收單片機發送的數據，再將分解成X、Y、Z三軸傾角數據，并轉化為3D方塊的在立體空間中的變化。主要由串口通信和前面板控制與顯示兩部分組成。

串口通信

通過調用visa串口驅動模塊實現，串行通信程序，采用數據幀傳輸。協議采用主從方式，以上位機為主，下位機為從。上位機每發送一幀命令，下位機需返回一幀響應。同步頭、幀長、數據、校驗、校驗反碼5部分。

前面板控制與顯示

前面板控制與顯示部分，包括3D顯示區、XY有效設置、串口通道選擇等組成。可單獨設只顯示其中某一通道變化。

該軟件可實時展示三軸加速度傳感器的運行狀態。圖4展示了當改變傳感器的位置姿態時，上位機軟件中的紅色方塊會同時變化的情況。

4 結束語

三軸加速度計的傾角測量系統，可用于智能小車、控制云臺、機器人等位置及運動姿態的測量中。采用LabVIEW的上位機軟件，以3D的形式直觀再現了測量結果。使得該測試系統具有更廣泛的應用空間。

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胡代弟：（1983年-），女，湖南省懷化人，講師，研究方向：自動化。鄭州大學西亞斯國際學院電子信息工程學院

王小麗：（1965年-），女，河南省焦作人，副教授，研究方向：自動化。

表1 Canon6D和PR-655測得的平均串擾值比較

4 誤差分析

成像鏡頭響應的不均勻性，導致輸入相同亮度，輸出電荷不同；成像鏡頭的畸變，導致目標物點與數碼相機鏡頭成像面之間存在光學畸變誤差；成像鏡頭的熱噪聲影響和電容器電荷溢出，影響測量精度，造成測量誤差。

5 結語

經過實測分析，利用數碼相機測試串擾，可以得到較好的測試結果，誤差在10%以內，此方法有一定的可行性。

參考文獻

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An angle measuring system based on ADXL345 three axis accelerometer

Hu Daidi,Wang Xiaoli
(1.SIAS International College of Zhengzhou University，450001)

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.

three axis acceleration sensor;LabVIEW;tilt angle