雙軸傾角傳感器系統及其變靈敏度檢測方法

2023-09-18 02:50:15 2

專利名稱：雙軸傾角傳感器系統及其變靈敏度檢測方法
技術領域：
本發明涉及測量及其信號處理技術，特別是涉及到了一種如何利用微處理器，數
字電位器，加速度傳感器組成的閉環系統，實現對角度的變靈敏度處理方法，提高了該傳感 器的測量範圍。
背景技術：
角度的測量在很多實際工程之中有著廣泛的應用，例如在地質鑽孔測繪和工程 測量，堤壩位移和橋梁變形控制，地震地殼變化監控，機器安裝和電子平衡，飛行器控制系 統，武裝平臺控制系統以及各種水平測量等方面，都有這類傳感器的廣泛應用，因此對角度 的測量有著比較高的要求。既希望測量的精度越高越好，又希望測量的範圍能夠越大越好， 當然測量的維數也是越多越好。傳統的傾角傳感器有著很多不同的實現方法，例如氣擺式 傾角傳感器，液擺式傾角傳感器，固擺式傾角傳感器等。測量原理的不同，測量的精度和範 圍也不一樣。傳統的傾角傳感器普遍維數比較單一，並且存在體積大，操作繁瑣，智能性低 等缺點。隨著科技的飛速發展，技術的不斷提高，尤其是MEMS技術的成功採用及其微傳感 器的廣泛應用，很多新型的智能傳感器已經不斷出現。伴隨著這些智能傳感器的出現，一些 在傳統傳感器體積大，操作不便等方面的問題也得到了很好地解決。基於MEMS技術的加速 度傳感器製作的雙軸傾角傳感器得到了廣泛的開發和使用，但是這種利用重力加速度原理 的傾角傳感器，由於傳感器的輸入和輸出之間表現為嚴重的非線性，尤其是傾角比較大條 件測量時，傳感器的靈敏度已經接近為零，由於靈敏度的下降，造成傳感器後續的調理電路 或處理電路無法分辨角度的變化，從而使其測量範圍受到很大的制約。目前，國內外相關領 域在利用MEMS加速度傳感器測量傾角方面，已經取得了很大的突破，例如在國內的專利檢 索中上海理工大學在2007年7月20日提出的"物體傾角動態的測量方法及其裝置"(專利 申請號101101202A)，就實現了用MEMS類的傳感器對物體的傾角進行動態測量，並且說到 測量的範圍為±45度。但是測量的角度範圍一直受到限制，如今國內外能夠做到的最大範 圍為±75度。 針對此問題，本發明提出了一種變靈敏度信號處理方法，在測量傾角較大時，利用 數字電位器進行有效的反饋，改變脈衝寬度調整電路的脈寬，提高傳感器的靈敏度，從而實 現傳感器靈敏度在不同角度情況下的自動調節，不但擴大了傳感器的測量角度範圍，使該 傳感器的測量範圍得到提高，而且具有開發成本低、硬體電路簡單等特點，擴大了傳感器的 應用領域。

發明內容
本發明的內容目的在於針對已有的技術的不足，提供了一種雙軸傾角傳感器系統 機器變靈敏度處理方法。該方法利用數字電位器分段改變其傳感器靈敏度的方法，使得傾 角傳感器的測量測量範圍得到提高。 為達到上述的目的，本發明的構思是利用加速度傳感器進行傾角測量的基本原理是利用加速度傳感器可以感受重力加速度(lg)，當傳感器與重力場有一定的傾角時， 由於加速度為矢量，此時測得的加速度顯然與傾角的大小有關，從而利用加速度傳感器即
可實現傾角的測量。由於傾角傳感器的輸出與被測傾角之間為cos e的關係，顯然，被測傾
角越大，傳感器的靈敏度越低，因此傳感器的測量範圍受到明顯的制約。 為了實現解決這個問題，本發明構建了一個新型的傾角傳感器的系統(如圖1所 示)，主要包括微處理器，雙軸加速度傳感器，數字電位器等，它們構成一個閉環的傾角測量 系統，可以實現雙軸傾角測量。其中加速度傳感器實現重力加速度的感測，進而實現與重力 加速度有一定角度的傾角測量；微處理器的作用一方面是加速度傳感器脈寬輸出信號進行 處理，另一方面是與數字電位器有機結合，對數字電位器的阻值進行控制，當被測傾角較大 時，控制數字電位器輸出較大的阻值，從而實現輸出脈衝寬度的改變，達到提高傳感器靈敏 度的目的，最終實現變靈敏度測量，提高傳感器的測量範圍。 由於傳感器靈敏度的變化，雖然可以擴大在單一靈敏度下，難以實現的測量範圍， 但會導致多值問題的出現，即同樣一個輸出值情況下，會對應不同的角度，如圖2，在同一個 輸出(如0.6的條件下)，會出現的h，^和Y3這三個不相同的角度值。為了避免多值 問題的出現，軟體上採用智能判斷與處理的方法，具體詳見流程圖3。在對角度進行測量的 時候，初始化後系統的數字電位器工作在R1，然後對輸出進行測量。當判斷到不需要調整系
統的靈敏度的時候，系統就不對數字電位器進行改變。此時測量的角度為o到e1當判斷
到系統的輸出靈敏度過低，需要對數字電位器進行調整的時候，即已經確定好了系統工作 在圖2的虛線段(1)。先在數字電位器為Rl的情況下，完成輸出的一次測量，確定此時測量
的段，以e工到92為例，即圖2中所示的虛線段(l)處的e工到e2。這樣就確定了高角度 下的工作的範圍，剔除角度小於e^p大於92的多值影響區間。進而調整數字電位器使得
其工作在R1+R2。在對輸出進行e工到92段的二次測量。若是調整後的數字電位器依舊
不能實現測量的唯一性，還可以通過三次調整，四次調整數字電位器的阻值，多次反覆進行 測量，已達到測量唯一的目的。 當微處理器發現測量已經完成，再將數字電位器進行復位到初始值，以等待下次 測量，使得下次測量數字電位器開始測量依舊工作在R1。很好的通過了一次測量確定測 量範圍，多次測量確定具體值的方法，解決了在測量過程中，同一輸出對應多角度的多值問 題。實現測量的唯一性。 根據上述發明構思，本發明採用下述技術法案 —種雙軸傾角傳感器系統，包括一個電源電路，將5V的直流電壓轉換為3. 3V的直 流電壓，為雙軸傾角傳感器各組成器件提供工作電源，其特徵在於 有一個雙軸加速度傳感器，感測x軸和y軸的傾角變化，通過脈寬輸出送到一個微 處理器； 有一個數字電位器，與所述微處理器之間的通信實現該數字電位器的調節，該數 字電位器通過和所述雙軸加速度傳感器的連接和實現雙軸加速度傳感器的脈寬控制；
所述微處理器，處理所述雙軸加速度傳感器的脈寬信號，控制所述數字電位器，實 現高角度條件的數字電位器控制，提高大傾角測量靈敏度的調高； 有一個上位機，實現和所述微處理器之間的通信，方便監視所述數字電位器的阻 值，角度測量值，以便及時排除故障。
—種雙軸傾角傳感器系統檢測方法，採用上述系統進行檢測，其特徵在於檢測步 驟如下 1)系統初始化，包括微處理器和上位機之間通信初始化，微處理器與數字電位器
之間通信初始化，微處理器的定時器/計數器初始化，中斷初始化； 2)微處理器通過實現與數字電位器之間的握手連接； 3)微處理器通過當前的系統狀態，實現對數字電位器的調節； 4)微處理器對雙軸加速度傳感器的輸出信號進行採樣，並且根據x軸或y軸的採 樣信號，分別進行進一步的處理； 5)微處理器分別對雙軸加速度傳感器的x軸和y軸的信號進行多值問題的處理； 6)微處理器對多值問題處理後的結果，分別計算x軸和y軸的角度值； 7)微處理器對所得的x軸和y軸的角度值，送上位機進行監控。並且返回至步驟
3)，調節電位器已進行下一次的角度測量操作。 上述步驟5)中多值問題的處理方法的具體步驟為 [1]微處理器根據採樣脈寬的計數值，智能判斷數字電位器的阻值大小是否滿足 靈敏度的要求，若滿足則轉至步驟，若不滿足，則轉至步驟[2]; [2]微處理器根據採樣脈寬得到的計數值，對數字電位器進行再次調節；
[3]微處理器再次採樣雙軸加速度傳感器的輸出x軸或是y軸的脈寬信號；
[4]微處理器再次對採樣得到的脈寬計數值，智能判斷數字電位器的阻值大小是 否滿足靈敏度的要求，若滿足則轉至步驟[5]，若不滿足，則轉至步驟2)，進行多次步驟[2] 到步驟[4]的操作; [5]微處理器對採樣得到的脈寬計數值，進行進一步的處理。 本發明與現有的技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著的優 點 採用由微處理器，加速度傳感器，數字電位器等所構成的傾角閉環測量系統，應用 本發明的檢測方法，就可實現角度分段變靈敏度的較寬範圍測量。另外本發明的傾角傳感 器系統還具有體積小、功耗低等特點。


圖1是雙軸傾角傳感器閉環系統結構框圖。
圖2是輸出脈寬歸一化後分段變靈敏度系統特性圖。
圖3是雙軸傾角傳感器系統變靈敏度檢測主程序流程。
圖4是消除多值問題系統工作流程圖。 圖5是系統中由數字電位器，單片機，加速度傳感器構成的閉環系統原理圖。
具體實施方法 本發明的優選實施例結合

如下 實施例一參見圖l，本雙軸傾角傳感器系統，包括一個電源電路，將5V的直 流電壓轉換為3. 3V的直流電壓，為雙軸傾角傳感器各組成器件提供工作電源，有一個雙 軸加速度傳感器ADXL202，感測x軸和y軸的傾角變化，通過脈寬輸出送到一個微處理器 ATMEGA128L ;
有一個數字電位器AD5342,與所述微處理器ATMEGA128L之間的通信實現該數字 電位器AD5242的調節，該數字電位器AD5242通過和所述雙軸加速度傳感器ADXL202的連 接和實現雙軸加速度傳感器的脈寬控制； 所述微處理器ATMEGA128L，處理所述雙軸加速度傳感器ADXL202的脈寬信號，控 制所述數字電位器AD5242，實現高角度條件的數字電位器AD5242控制，提高大傾角測量靈 敏度的調高； 有一個上位機，實現和所述微處理器ATMEGA128L之間的通信，方便監視所述數字 電位器AD5242的阻值，角度測量值，以便及時排除故障。 實施例二 參見圖1和圖4，本實施例與實施例一相同，特殊之處是本實施例 硬體系統是由微處理器ATMEGA128L，加速度傳感器ADXL202L，數字電位器AD5242，電源 AMS-1117等共同組成的。加速度傳感器ADXL202L的輸出作為微處理器ATMEGA128L的輸 入，數字電位器AD5242通過和微處理器ATMEGA128L的通信實現對加速度傳感器ADXL202L 的脈寬信號的調整。實現靈敏度的調整。通過這樣的方式加速度傳感器ADXL202L的x軸 和y軸的輸出都實現了閉環。也就是所說的雙軸閉環。 在整個硬體平臺的基礎之上，對需要對加速度傳感器ADXL202L產生的數位訊號 進行智能處理。加速度傳感器ADXL202L的脈寬輸出是作為整個系統的重要的控制對象，微 處理器ATMEGA128L通過對不同的x軸和y軸的脈寬高電平的計數值的讀取，來判斷是否需 要對數字電位器AD5242進行調整。當判斷到的計數值小於e工時(如圖2)，系統的靈敏度 比較理想，無需調整數字電位器AD5242。微處理器ATMEGA128L就可以直接根據計數值的大 小建立起模型實現角度的測量。當判斷到的計數值大於等於e工時(如圖2)，系統的靈敏度 極具下降，這時，需要採取擴大數字電位器AD5242的阻值的方法來提高系統的靈敏度，在 對加速度傳感器ADXL202L的x軸y軸的脈寬信號進行二次讀取，進而微處理器ATMEGA128L 建立另外的x軸y軸的模型，實現角度的測量。使得系統能夠實現廣角度高靈敏度的角度 實施例三本傾角傳感器對傾角的測量方法，參見圖3，圖4，具體實現的步驟；
1)如圖3流程1 ，微處理器ATMEGA128L進行初始化，包括初始化I/O 口 ，定時器/ 計數器，串口，全局中斷，捕捉中斷，溢出中斷，以及12C。 2)如圖3流程2，微處理器ATMEGA128L與數字電位器AD5242通過I2C通信，實現
握手連接。 3)如圖3流程3，微處理器ATMEGA128L通過I2C總線控制，使得數字電位器AD5242 其工作在R1。 4)如圖3流程4，微處理器ATMEGA128L對雙軸加速度傳感器ADXL202L的輸出信 號進行採樣，並且根據x軸或y軸的採樣信號，轉至圖4流程，進行下一步的多值問題的處 理； 5)如圖4流程1，微處理器ATMEGA128L根據採樣脈寬的計數值，智能判斷數字電 位器AD5242的阻值大小是否滿足靈敏度的要求，若滿足則轉至圖4流程2，若不滿足，則轉 至圖4流程3 ; 6)如圖4流程3，微處理器ATMEGA128L根據採樣脈寬得到的計數值，對數字電位 器AD5242進行再次調節，使得其工作在一個新的合適的阻值，實現變靈敏度操作；
7)如圖4流程4，微處理器ATMEGA128L再次採樣雙軸加速度傳感器ADXL202L的 輸出x軸或是y軸的脈寬信號； 8)如圖4流程5，微處理器ATMEGA128L再次對採樣得到的脈寬計數值，智能判斷 數字電位器的阻值大小是否滿足靈敏度的要求，若滿足則轉至圖4流程2，若不滿足，則轉 至圖4流程3，進行多次，圖4流程3到流程5的多值問題處理操作； 9)如圖4流程2，微處理器ATMEGA128L對採樣得到的脈寬計數值進行存儲，並作 進行進一步的處理。 10)如圖3流程6，微處理器ATMEGA128L利用經過多值問題處理後存儲的x軸和 y軸的脈寬計數值，分別計算x軸和y軸的角度值； 11)如圖3流程7，微處理器ATMEGA128L對計算所得的x軸和y軸的角度值，送上 位機進行顯示。並且返回至圖3流程2，調節數字電位器AD5242已進行下一次的角度測量 操作。 通過這樣多次反覆的操作，就能實現多值問題的處理。實現靈敏度的合理變化，解 決了在測量過程中，同一輸出對應多角度的多值問題。實現測量的唯一性。
權利要求
一種雙軸傾角傳感器系統，包括一個電源電路(4)，將5V的直流電壓轉換為3.3V的直流電壓，為雙軸傾角傳感器各組成器件提供工作電源，其特徵在於有一個雙軸加速度傳感器(2)，感測x軸和y軸的傾角變化，通過脈寬輸出送到一個微處理器(1)；有一個數字電位器(3)，與所述微處理器(1)之間的通信實現該數字電位器(3)的調節，該數字電位器(3)通過和所述雙軸加速度傳感器(2)的連接和實現雙軸加速度傳感器(2)的脈寬控制；所述微處理器(1)，處理所述雙軸加速度傳感器(2)的脈寬信號，控制所述數字電位器(3)，實現高角度條件的數字電位器(3)控制，提高大傾角測量靈敏度的調高；有一個上位機(5)，實現和所述微處理器(1)之間的通信，方便監視所述數字電位器(3)的阻值，角度測量值，以便及時排除故障。
2. —種雙軸傾角傳感器系統變靈敏度檢測方法，採用權利要求1所述的雙軸傾角傳感器系統進行檢測，其特徵在於，檢測步驟如下a. 系統初始化，包括微處理器(1)和上位機(5)之間通信初始化，微處理器(1)與數字 電位器(3)之間通信初始化，微處理器(1)的定時器/計數器初始化，中斷初始化；b. 微處理器(1)通過實現與數字電位器(3)之間的握手連接；C.微處理器(1)通過當前的系統狀態，實現對數字電位器(3)的調節；d. 微處理器(1)對雙軸加速度傳感器(2)的輸出信號進行採樣，並且根據x軸或y軸 的採樣信號，分別進行進一步的處理；e. 5)微處理器(1)分別對雙軸加速度傳感器(2)的x軸和y軸的信號進行多值問題的 處理；f. 6)微處理器(1)對多值問題處理後的結果，分別計算x軸和y軸的角度值；g. 7)微處理器(1)對所得的x軸和y軸的角度值，送上位機進行監控。並且返回至步 驟3)，調節電位器已進行下一次的角度測量操作。
3. 根據權利要求2所述的雙軸傾角傳感器系統變靈敏度檢測方法，其特徵在於所述步 驟5)中多值問題處理的具體步驟為a. 微處理器(1)根據採樣脈寬的計數值，智能判斷數字電位器(3)的阻值大小是否滿 足靈敏度的要求，若滿足則轉至步驟[5]，若不滿足，則轉至步驟[2];b. 微處理器(1)根據採樣脈寬得到的計數值，對數字電位器進行再次調節；c. 微處理器(1)再次採樣雙軸加速度傳感器(2)的輸出x軸或是y軸的脈寬信號；d. 微處理器(1)再次對採樣得到的脈寬計數值，智能判斷數字電位器(3)的阻值大小 是否滿足靈敏度的要求，若滿足則轉至步驟[5]，若不滿足，則轉至步驟2)，進行多次步驟 [2]到步驟[4]的操作;e. 微處理器(1)對採樣得到的脈寬計數值，進行進一步的處理。
全文摘要
本發明公開一種雙軸傾角傳感器系統及其變靈敏度檢測方法。本系統由電源電路，雙軸傾角傳感器，微處理器和上位機構成。本方法是利用雙軸加速度傳感器、微處理器、數字電位器等構建的雙軸傾角傳感器閉環測量系統，實現傾角的測量；採用分段變靈敏度處理方法，對大傾角測量，通過反饋方式自動調整數字電位器的阻值，進行脈衝寬度的自動調整，提高測量靈敏度，從而實現大傾角條件下的角度測量；由於靈敏度的變化會產生測量的多值問題，採用智能判斷與處理方法，解決在變靈敏度測量時出現的多值問題，實現測量的唯一性，使傾角測量範圍得到調高。本發明的雙軸傾角傳感器系統體積小，功耗低。
文檔編號G01C9/00GK101706272SQ200910198200
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月3日 優先權日2009年11月3日
發明者付敬奇, 蘇偉 申請人:上海大學