基于加速度传感器的倾角仪设计

基于加速度传感器的倾角仪设计

第19卷　第2期2006年4月

传感技术学报

CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS

Vol.19　No.2Apr.2006

DesignofTilt2SensorBasedonAccelerometer

TIANXiao2fang,LUQi2yong,XIONGChao

(E.E.Deptm.FudanUniversity,Shanghai200433,China)

Abstract:http://paredwithtmethighsensitivityandrapidresponsibility.Experimentalhatitispracticalengineeringapplication.Keywords:;;ADXL213;MCUsystemEEACC:7230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”电解质检测,价格昂贵,响应速度慢[2,3]。本文利用新型单片双轴MEMS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。

1　测量原理

ADXL213是AD公司推出的新一代双轴加速

度传感器,采用MEMS技术,在一个硅片上包含了一个多晶体硅表面微机械传感器和信号处理电路,实现了开环加速度测量结构,其功能结构图如图1。它可以测量动态加速度和静态加速度,其量程范围为±1.2gn,输出为周期可调的占空比调制信号,无需经过A/D转换直接与计数器或单片机连接

。具

收稿日期:2005206220

作者简介:田小芳(19812),女,硕士研究生,2003年于华中科技大学获得学士学位,主要研究方向为嵌入式系统软硬件设计,

工业控制与自动化,集成电路系统设计,032021029@http://;

陆起涌(19662),男,副教授,主要研究方向为嵌入式系统软硬件设计,工业控制与自动化,智能仪器仪表,电子系统

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。

基于加速度传感器的倾角仪设计

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LCD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

。波的正脉宽

2)计算对应x轴和y轴的1()。软件流程图如图3所示

。

图1　ADXL213CX,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。

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:

(1)a=(T1/T2-μ0g)/μ1g

式中,μ0g为加速度为0gn时对应的占空比,典型值为50%;μ1g为1gn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/125MΩ。

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(Ax/1g)

(2)

()()[angle]y=arcsinAy/1g

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

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

。

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)是由低通滤波器的参数确定的,满足下式:

(3)W=

π×RF×C(X,Y)2

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

N=(160μgn/

Hz)××1.6(4)

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

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10Hz时平均噪声为0.64mgn,最大噪声为3.8mgn;带宽增加到100Hz,噪声最大值达到13mgn。同时,带宽决定了测量角度的分辨

基于加速度传感器的倾角仪设计

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。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、的要求等共同决定。3.2　(0gp,1gp)各有差异,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0gp的平衡标定方法不实用。为了得到更高的精度,可以采用重力场的1gp标定法(gp意为g参量)。

对于低g的加速度传感器,重力场是最稳定精确的加速度参考量。以X轴为例采用重力加速度进行标定:在PCB板上预留几个很小的标定孔,利用标定孔将PCB悬挂在稳定的铁架台上,尽量使X轴的敏感方向与重力方向一致,不断调整PCB板,当测量到输出最大值时表明X轴输出为重力加速度1gp,记为Xmax;将PCB板旋转180°,同样测出-1gp时的输出,记为Xmin,可以计算出0gp和1gp时的参数:

0gp=(Xmax+Xmin)/2

(5)

1gp=(Xmax-Xmin)/2在软件设计中加入处理标定的程序,可以提高测量精确度。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0gp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

在温度影响下,加速度传感器会产生偏移。对温度的偏移 …… 此处隐藏：3064字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……