基于ADXL343加速度传感器的倾角测量系统设计.doc

基于ADXL343加速度传感器的倾角测量系统设计.doc基于 ADXL343 加速度传感器的倾角测量系统设计在许多应用领域中,如设备安装、机器人控制、测量机床仪器导轨的直线度、小车的位姿控制中, 都经常需要测量倾角。目前的倾角传感器虽然测量精度高, 但价格昂贵, 无法在各个领域得到广泛应用。由于加速度计的输出经处理可得到一个与倾斜角成正比的直流电压, 因此可以利用加速度计来测量物体相对于水平面的倾斜角,尤其是 MEMS 加速度计传感器体积小、重量轻、功耗低、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化, 因此加速度传感器在需要测量运动物体倾角的场合, 具有很大的应用价值。本文介绍一种基于美国 ADI 公司生产的三轴加速度传感器 ADXL34 3和完全集成混合系统级 MCU芯片 C8051F31 1 的倾角测量系统, 具有结构简单、测量精度和稳定度较高、使用方便等特点。测量原理 ADXL343 模块上电后,加速度使惯性质量偏转、差分电容失衡,使传感器输出与加速度成正比的电压值。模块对得到的电压值进行模数转换后进行数字滤波,再存入 FIFO 存储器,最后根据中断指令将数字信号传输给外部控制器。 ADXL343 不直接测量倾斜角度,而是通过测量静止状态下 X、Y、Z三轴的加速度, 利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的 X、Y、Z 三轴的分量关系, 计算出各轴与重力加速度的夹角, 从而得出系统倾角。重力加速度在三轴的分量与倾角关系如图1 所示。设α重力加速度与X 轴的夹角, β是重力加速度与 Y 轴的夹角, Y 是重力加速度与 Z 轴的夹角。以 Y 角的推算为原型,抽取出来的空间坐标如图 2 所示。 P 点是重力加速度在平面 XOY 上面的投影,根据平面几何基础知识可以知道: 因此,可以运用几何知识推算出重力加速度与三个坐标轴的夹角: 其中, AX, AY, AZ 是重力加速度在 X,Y,Z 三个坐标轴上面的分量。根据上述三个表达式得到的三个倾斜值, 就可以得到物体在空间转动的角度。系统硬件设计倾角测量系统的硬件部分主要由倾角测量模块、单片机控制模块和上位机显示模块三部分组成。其中, 加速度测量模块与单片机以 SPI 通信方式连接, 单片机主控单元与上位机通过串口通信连接, 系统的组成框图如图3 所示。 1 倾角测量模块倾角测量模块由三轴加速度传感器 ADXL343 和滤波电容组成。 ADXL343 是一款多功能三轴、数字输出、低功耗和具有 I2C 和 SPI 数字输出功能 MEMS 加速度计。在典型工作电压 Vs= 时,器件的功耗电流为 30~ 140 μA ,以全分辨率( 13 位)模式测量时,最大量程可以达到 16g 。另外,还可以选择的量程范围有: 2g、 4g、 8g 。在倾斜检测应用中测量重力加速度, 其高分辨率( ) 能够检测到不到 ° 的倾斜角度的变化。此外, ADXL343 还采用 32 级先进先出( FIFO ) 缓冲器集成式存储器管理系统, 用于存储数据, 从而将主机存储器负荷降至最低, 把系统的整体功耗降低。 2 单片机主控制模块单片机主控制模块选择 C8051F31 1 作为数据处理和信号控制的核心器件。 C8051F311 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( SoC ) ,具备控制系统所需的模拟和数字外设,包括看门狗、 A/D 和 D/A