数字倾角水平测试仪的研究与设计

李昆仑

（湖南应用技术学院,410000）

数字倾角水平测试仪的研究与设计

李昆仑

（湖南应用技术学院,410000）

角度测量在几何量测量中有着重要的地位，而倾角仪是测量平面角度的一种重要仪器。因此，倾角仪在道路桥梁、机器人技术、车电子控制、测绘仪器、建筑机械、设备安装、天线定位、海上平台监控等方面都有着广泛的应用，是人类生产活动中经常用到的一种工具。本文介绍了倾角仪的工作原理、传感器的选型，并以低功耗、精度高、全方位快速测量为目标，探究了倾角仪的测量原理及数据显示控制系统。

数字倾角仪;传感器;单片机

0　引言

倾角仪是一种用来测量倾斜度的测量仪器，它作为一种重要的通用工具，在经济建设、国防建设和科学技术各部门中发挥着重要的作用，广泛应用于工业、军事、航空、航海以及通讯等各种领域。随着现代测量技术的迅速发展，无论是单台测量仪器还是整个测试系统都朝着数字化、智能化、多功能、小型化、模块化、标准化和开放型方向发展弹等。本文的探究目的是探索研制一种便携式、高精度、数字式角度智能计量检测仪器，即将微控制器嵌入到便携式计量检测仪器中，使其具有低功耗的特点，有标准的总线接口，可实现较大范围的高精度检测的特点。

1　数字倾角仪的简介

1.1倾角仪的分类

倾角仪的种类可以分为传统倾角仪、电子倾角仪和新发展起来的数字倾角仪，传统倾角仪又称作水平仪，大多是基于水泡式测量，是一种测量小角度的常用量具；电子倾角仪，大多是基于“摆”的工作原理，即利用重力场内“摆”力图保持在铅垂方向的特性来设计各种倾角仪；至于数字倾角仪，一般采用采用的是MEMS重力加速度传感器，传感器的内部是一个带工字梁的重力摆，当角度变化时，重力摆的位置也会变化，从而根据重力摆的变化测量出角度。本文的目标是设计一种低功耗、精度高、全方位快速测量的数字倾角仪，所以是以MEMS传感器技术为基础设计一种数字倾角仪。

1.2MEMS 技术

随着人类科学技术的快速进步，我们在MEMS技术领域内取得了丰硕的成果，使得这一技术逐步地被应用到人类生产生活的方方面面。MEMS 是英文micro electromechanical system的缩写，翻译成中文就是微机电系统，指采用微机械加工技术研制的集微执行器、微型机、微传感器及信号处理和控制电路、通信、接口等单元于一体的可以感知外界信息(磁、热、光、力等)的微型器件或微型系统。MEMS技术是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿科学技术领域，历经了几十年的发展，现在已经发展成为世界瞩目的重大科技进步领域之一，它涉及到机械、材料、物理学、电子学、等多个学科领域，具有广阔的应用前景。

MEMS 传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。目前，国内外对MEMS传感器的研究工作已经有了很大的进展，各种不同类型的高性能 MEMS传感器正在逐步取代传统的大体积传感器。

2　数字倾角仪工作原理

2.1数字倾角仪的角度测量原理

图1　数字倾角仪的设计流程

目前，电子倾角仪所使用的测量传感器主要有光电传感器、加速度传感器、位移传感器、以及力传感器等，通常其检测电路也比较繁琐，体积较大，分辨率不够高。基于这些问题人们在大力开发新型的数字式传感器，本文采用的就是基于 MEMS 传感器技术的数字倾角仪。国内外对基于 MEMS 加速度计设计的数字倾角仪的设计过程大部分是按下图所示的流程来完成的。

MAMS传感器是基于重力加速度原理的，由于重力加速度g的方向始终垂直向下，如果空间平面不水平，即与重力加速度之间有夹角，那么重力加速度在这个空间平面上的投影不为0；如果空间平面水平即重力加速度g垂直，那么重力加速度在平面上的投影为0。利用重力与传感器输出之间的关系，我们就能够得到所测的角度值。其中AX是代表加速度传感器的输出量，是传感器倾角。

这种在通过测量加速度原理测量角度的方式，是以重力为输入矢量来决定物体在空间的姿态，这里指物体的角度反应。把加速度传感器固定在物体的水平面上，当物体角度改变时，加速度传感器的敏感轴随之转动一定角度，由于重力的作用，传感器敏感轴上的加速度会发生改变，因此可以通过测量加速度的变化来反映物体的角度偏转。另外，我们也可以从电子电路的观点来看倾角仪的测量原理，倾角传感器在重力作用下传感器中的惯性质量块会相对于两个极板发生偏移，导致两极板的电容发生变化，从而输出电压发生变化，从而测量出倾角。一般来说，加速度低于1g 时主要用来测量倾角，加速度高于 1g 时用来测量加速度，冲击，振动等，另一方面，传感器中充有惰性气体，充当阻尼，当频率较低时基本不受到加速度大小的影响。

2.2液晶显示及接口电路设计

为了将测量结果通过液晶显示屏直观的显示出来，人们在设计倾角仪时需要选择一种液晶显示屏。 HZ128-64D20是人们经常使用的一种汉显模块，该模块具备全部国标GB2312汉字的显示和智能拼音输入法，及支持32个键盘或12个IO口，比较适用于人机对话场合，比如家用电器、机床数据设置、数据监测显示等。同时，本模块采用12点阵的汉字显示，这样可以在同样的成本和面积下多显示一些汉字。其功能特点: 本模块价格低廉，可以在让快速开发产品和保证产品质量的同时，节约大量的成本，这是生产设计中很重要的一个原则；HZ128-64D20 汉显模块支持Unicode字符串显示，支持12个IO输入输出，并且支持最多32个键盘输入以及背光亮灭指令控制；该模块全屏幕可以显示每行9.5 个共5行标准宋体汉字。或者19×5个ASCII字符，也可以混合显示。字间和行间均有一个点的间距；最后，该模块自带 GB2312 一、二级汉字12点阵全部汉字字库、全部的中文符号和全部的半角ASCII字符。

2.3单片机与液晶屏接口程序设计

单片机与液晶屏接口程序主要有液晶模块操作程序、控制管脚电平模拟、单片机初始化等。液晶模块操作程序主要包括发送命令、显示数据、显示初始化等几个部分，而单片机初始化主要包括定时器初始化、串口初始化、A/D初始化和时钟初始化等。这一程序需要用到单片机上的串口0，串口初始化与串口1的设置相似。其相应管脚为P3.4和P3.5，因此端口初始化的依旧是P3口，通过软件将管脚P3. 4和P3. 5设置为串口0的管脚，数据通信传输依然采用中断方式。根据HZ128-64D20汉显模块提供的大量指令操作，在程序的基础上，就基本可以实现数据的显示最后，在显示数据前，我们还需要对HZ128-64D20模块进行初始化，初始化顺序为:关显示，正常显示驱动设置，占空比设置，复位，ADC选择，清屏，开显示。

3　结语

随着人们对生产活动要求的不断提高，人们需要利用新信息技术产业来优化我们的生产过程。基于MEMS 加速度传感器的数字倾角仪是一种可以测量物体倾角的仪器，在工程实践和科学研究中有着广泛的应用。最后要说的是，本文介绍的只是数字倾角仪理论中的冰山一角。我们在对倾角仪做相关的调研后，介绍了倾角仪的分类，分析了基于MEMS加速度计的倾角仪的工作原理，介绍了液晶屏幕的基础电路和程序设计过程。

[1] 张洪刚，吴敬国.电容传感器及其纳米量级定位技术[J].传感器技术，2001(10)： 3-5.

[2] 徐普君.基于无线传感器网络的机场助航灯光监控系统[D].中国知网优秀论文数据库，2010.

[3] 李哲，基于MEMS传感器技术的数字式倾角仪的研究[D].中国知网优秀论文数据库，2012.

Research and design of digital dip angle tester

Li Kunlun
（Hunan Institute of Applied Technology,410000）

Angle measurement plays an important role in geometric measurement,and the angle measuring instrument is an important instrument for measuring plane angle.Therefore,the inclinometer is widely used in road and bridge,robot technology,vehicle electronic control,mapping equipment,construction machinery, equipment installation,antenna positioning, monitoring and other aspects of offshore platforms,is a tool often used in the production of human activities.This paper introduces the working principle of the tilt meter, the sensor selection,and with low power consumption,high precision,fast measurement as the goal, to explore the measurement principle and data display control system.

Digital dip meter;sensor;single chip microcomputer

脚注：湖南应用技术学院校级资助项目，项目编号：2015YYYB09

李昆仑（1986-），男，硕士研究生，毕业于广西师范大学，从事机器人和在线监测技术研究。