基于加速度传感器的倾角仪设计

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基于加速度计的数字倾角仪误差建模与分析

ｙ
０１０
Ａ
＼、● ● ●● ●● ●
０㈣
（５）
一
＋
（６）
式中， △ ｏ △ ｎ和 △ ｎ分别为加速度计３个轴的测
图２传感器安装方式和坐标系定义
量误差，０ｏ、ｙ。是真实的俯仰角和滚转角，Ａ０、ＡＴ是俯仰角和滚转角的测量误差，ｇ是重力加速度。加速度计的测量误差 △ ｏ服从参数为和ｏｒ的
１０７９
地球表面及附近的恒定重力场具有全天候、方向恒定和变化小等优点，为处在其中物体的倾角测量提供了可能。本文采用 “ 北、东、地” 坐标系，为了
原理 ¨ 。。］，将３个轴的加速度计的测量值代人上述
ＥＥＡＣＣ：７２２０；７３２０Ｅ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ－１６９９．２０１３．０８．００９
基于加速度计的数字倾角仪误差建模与分析木
白渚铨，张晓明，刘俊，王宇，赵鑫炉
倾角仪是一种精确的角度测量装置，按敏感单元
的不同可分为 “ 单摆式” 倾角仪、陀螺式倾角仪和加速度计式倾角仪等。“ 单摆式 ” 倾角仪结构复杂、制
造工艺难度大、测量范围小、瞬态响应差、稳定速度慢¨ 。高精度的陀螺倾角仪测量精度很高，但是其测量误差会随时间累计，且价格昂贵。加速度计倾角仪因其全天候、干扰小、精度高等特点脱颖而出［４－６］。基于加速度计的倾角仪具有较高的测量精度，

一种基于三轴加速度传感器的倾角测量装置

ｕｓｅｄｆｏｒａｃｑｕｉｉｒｎｇａｔｔｉｔｕｄｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒＡＲＭ７ｕｓｅｄｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｗａｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｏｎ１６０２ＬＣＤ．
ｇ
的静态自校正以及肢体运动姿态检测等实际场合。但在
全量程范围内测量精度不高的问题较突出。
文中使用ＡＤＸＬ３３５三轴加速度传感器获取姿态信息，经
ＡＲＭ７微处理器计算处理后得到倾角数据并显示在１６０２液晶
０．２。．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒｉａｘｉｌａａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｔｉｌｔｎｇａｌｅ；ｉｎｔｅｐｏｒｌａｔｉｏｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
０引言
＝
一
ＬＩＺｈｉ，ＷＡＮＧＤｉ，ＹＡＮＧＨａｏ，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇ — ｋｕｉ，ＣＨＥＮＹａｎ－ｊｕｎ
（ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａｎｈａｇｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｎｄａＲｏｂｏｉｔｃｓ，Ｓｈｎｇａｈａｉ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）

基于ADXL345三轴加速度计的倾角测量系统

３］郭红英．倾斜检测仪设计［Ｊ］．电子制作，２０１３年Ｏ６期每发送一帧命令，下位机需返回一帧响应。同步头、帧长、数据、校［验、校验反码５部分。
前面板控制与显示前面板控制与显示部分，包括３Ｄ显示区、ＸＹ有效设置、串口通道选择等组成。可单独设只显示其中某一通道变化。
器非均匀性研究［Ｊ］．科学技术与工程，２０１１，１１（１５）：３４４９ —
３４５５．
［８］朱铮涛，黎绍发．镜头畸变及其校正技术［Ｊ］．光学技
术，２００５．３１（１）：１３６ — １４１．
ＥＬＥＣ ’ ｒ＿Ｒ（）Ｎｌ（：ｒＳＴ
该软件可实时展示三轴加速度传感器的运行状态。图４展示
（上接１２６页）
表１Ｃａｎｏｎ６Ｄ和ＰＲ一６５５测得的平均串扰值比较
参考文献
［１］吕涛，张景旭，付东辉．成像法测量积分球的亮度均匀性
［Ｊ］．应用光学，２０１３，３４（２）：３０８ — ３１２．
参考文献
［１］李兴法尹冠飞．数字式加速度传感器ＡＤＸＬ３４５的原理及应用［Ｊ］．黑龙江科技信息，２０１０年３６期
由串口通信和前面板控制与显示两部分组成。
串口通信
２］石云波赵锐唐军刘俊李科杰单片三轴大量程加速度传通过调用ｖｉｓａ串口驱动模块实现，串行通信程序，采用数据［感器性能测试与分析［Ｊ］．传感技术学报，２０１２年ｏ９期帧传输。协议采用主从方式，以上位机为主，下位机为从。上位机

基于MEMS加速度传感器的倾角仪设计方法

加速度传感器的倾角仪的设计方法，并分析实现中
的难点及相应的解决办法。
２倾角测量原理和方法
倾角测量的基本原理是：通过测量重力加速度
新兴的ＭＥＭＳ加速度传感器体积小、重量轻、
功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化，且由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性价比很高，所以基于ＭＭＥＳ传感器的测量系统可实现
１引言
目前许多工程应用中都需要对倾角进行测量，并将这些测量值用于对系统的监测或控制。特别是空中的飞行器，其倾角值的获得直接关系着飞行控制指令的生成，因此获得系统实时的倾角值是非常
重要的。
制作超小型化倾角仪尚处于起步阶段，但这方面的
应用需求却十分广泛。本文主要讨论基于ＭＥＳＭ
ｄ￣ｔｉａ．Ｃｎｑｅｔ，ｅｏｌｕｔＣｅｍａｕｅｉｉｒｉｏ．ｉｍｅｏａｅｇｔｉＭｓ１ｏｓｕｎｙｔｂｉｉａｂｅｓｒｄｗｔｈｇｐｅｓｎＴｓｔｄＣｔｅｎｇｅｌｈｑｙｎｈｈｃｉｈｈｎｈ
起输出加速度的变化约为０１。由此可见要实．５ｍｇ
・
［收稿日期】２０００６— ７—２９
・・
［作者简介】苏
ＤｅｉｎＭｅｈｏｆＴｉｍｅｅａｅｎＭＥＭＳＡｃｅｅｏｅｅｓｇｔｄｏｌｔｔｒｂｓｄｏｃｌｒｍｔｒ

基于加速度计的数字显示倾角测量仪

优点的倾角传感器之一。本设计通过倾角传感器测量平台
的倾角，出电压信号，输经过运放放大后，出给单片机电输
设计中使用的传感器为ＭＸ２５Ａ，是位于一单片Ａ００其集成电路ＣＳＩ的完整的加速度测量系统。该传感ＭＯＣ上
路进行数据处理，最后，过数码管显示倾角的大小，可通还用做控制系统输出控制信号调整平台的倾角。
ＬＮｉ－ｏＣＩｏｇｊｎＺＥｕ－ｎ，ＳＩｕ－ｏＬＵＪｎＩＧＸａｂ，Ｕｎ－，ＨＮＧｏｙｇＨｎｂ，ＩｕｏＹｕｏＹ
（ａｉｎｌｙＬｂｒｔｒｆｌｔｏｉＭｅｓｒｍｅｔｅｈｏｏｙＮｔａａｏａｏｙｏｅｒｎｃａｕｅｎｃｎｌ，ｏＫｅＥｃＴｇＤｅａｔｎｆｌｔｏｉＳｉｃｐｒｍｅｔｅｒｎｃｃｅｅ＆ＴｃｎｌｙＮｒｈＵｖｒｉｆｈｎ，ａｙａ３０１ＣｉａｏＥｃｎｅｈｏｏ，ｏｔｎｅｓｙｏｉａＴｉｕｎ００５，ｈｎ）ｇｉｔＣ
林小波，崔永俊，国涌，云波，刘俊甄石
（中北大学电子科学与技术系电子测试技术国家重点实验室，山西太原００５）３０１摘要：介绍了基于加速度计ＭＸ２５Ａ的数字显示倾角测量系统，Ａ００简要介绍了系统的组成和工作原
理；阐述了ＭＡ００Ｘ２５Ａ的外围电路、运放电路、显示电路的组成和工作原理；介绍了对测得数据的处理方

电子设计大赛实验报告——倾角测量仪

倾角测量仪的设计摘要当前，大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式(条式）水平仪。

其检测方法有诸多缺点,如测量值因人而易、功能单一、测量范围小等。

本倾角测量仪，它与传统的水泡式（条式)水平仪相比具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点，大大提高了工作效率。

本文详细介绍了一种利用倾角传感器、AD 转换器、单片机实现高精度倾角测量的方法,它可以测量—45°～+45°范围内的任意倾角,分辨率可达0.1°.此外，由于该倾角仪输出为数字结果，因此它也可以与其他的数字设备结合起来，组成一个功能更加强大的仪器.该装置可满足大量工程上的应用。

该数字倾角仪具有携带方便、精度高、功能多等特点。

它使用方便，应用范围广泛.该数字倾角仪可广泛用于建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿和地质勘探等各种需要测量重力参考系下倾角的场合。

关键词：倾角测量；AD转换器;单片机目录引言...。

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6第1章绪论.。

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.. 71。

1 测试系统方案选择....。

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.. 71.2 测试系统一般结构。

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加速度陀螺仪算倾斜角-定义说明解析

加速度陀螺仪算倾斜角-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在现代科技发展的背景下，加速度传感器和陀螺仪成为了物理学和工程领域中极为重要的传感器之一。

加速度传感器能够测量物体在三维空间内的加速度，而陀螺仪则可以测量物体在空间中的旋转角速度。

这两种传感器的结合应用可以帮助我们更准确地获取物体的运动信息，包括物体的倾斜角度。

本文将重点介绍如何利用加速度传感器和陀螺仪来计算物体的倾斜角度，探讨这种方法在实际应用中的重要性和发展前景。

通过深入了解这些传感器的工作原理和计算方法，我们可以更好地理解和利用它们在各种领域的应用，为相关研究和工程实践提供参考和指导。

1.2 文章结构文章结构部分包括了引言、正文和结论三个大的部分。

在引言部分，我们将对加速度、陀螺仪和算倾斜角的概念进行简要介绍，说明文章的结构和目的。

在正文部分，将逐一介绍加速度的概念、陀螺仪的原理以及算倾斜角的方法，并深入分析它们之间的关系。

在结论部分，将总结加速度和陀螺仪的作用，强调算倾斜角的重要性，并展望未来发展方向。

整篇文章将以此结构为蓝本，系统地介绍加速度、陀螺仪和算倾斜角的相关知识，为读者提供全面的了解和参考。

1.3 目的本文的目的在于介绍加速度和陀螺仪在测量和计算倾斜角时的重要性和应用。

加速度和陀螺仪是现代传感器技术中常用的两种传感器，它们在航空航天、汽车工业、智能手机等领域都有着重要的应用价值。

通过深入了解加速度和陀螺仪的原理以及两者结合计算倾斜角的方法，读者可以更好地理解这些传感器的作用和原理，同时也可以认识到它们在解决实际问题中的重要性。

希望通过本文的介绍，读者能够对这两种传感器有更清晰的认识，从而为其在实际应用中的选择和使用提供一定的指导和参考。

2.正文2.1 加速度的概念:加速度是物体在单位时间内速度改变的速率。

在物理学中，加速度通常用来描述物体在运动过程中的速度变化情况。

加速度的单位是米每秒平方（m/s^2），表示每秒钟速度增加或减小的米数。

基于MEMS传感器技术的倾角测量仪设计

Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｉ１ｔｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｃｏｎｓｉｓｔＳｏｆＭＥＭＳｔｉｉｔｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ａｎｄｉｔｈａｓ
ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ：
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＥ１ｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｓｔ＆ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ．
ｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｓｍａｌｌｖｏｌｕｍｅ，ｅａｓｙｔｏｃａｒｒｙ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｔｒｏｎｇａｎｔｉ＿ｊａｍｍｉｎｇｃａｐａｂｉ１ｉｔｙ
１引言
目前很多工程应用领域需要进行精确、大量程的角度测最后～位为小数。倾角测量仪与计算机通讯采用的是ＵＳＢ转串口量以及水平面的确定，并把采集到的数据交由计算机分析处理芯片ＰＬ２３０３，该芯片一次性完成ＵＳＢ至ＴＴＬ电平的转换，无需增［１，２］。本文针对这种需求，设计了基于ＭＥＭＳ加速度倾角传感器结构简单。的倾角测量仪，硬件采用ＳＣＡ６１０倾角传感器，Ａｔｍｅｇａ８单片机，加电平转换芯片，数码管和串口数据通讯。软件方面进行了传感器的线性度拟合，

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N = (160 μgn / Hz) × W ×1. 6
(4)
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 10 Hz 时平均噪声为 0. 64 m gn ,最
大噪声为 3. 8 m gn ;带宽增加到 100 Hz ,噪声最大值
达到 13 m gn 。同时 ,带宽决定了测量角度的分辨
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、处理器和计数器速度及分辨率
的要求等共同决定。
3. 2 加速度传感器的参数校准
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。
362
传感技术学报
2006 年
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 L CD 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
单片机采用中断方式采样加速度传感器的两路静态加速度信号。利用定时器产生的时间基准测量各个时刻加速度传感器输出的 PWM 波的正脉宽 T1 。然后通过公式 (1) 、(2) 计算对应 x 轴和 y 轴的加速度和倾斜角度。软件流程图如图 3 所示。
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 :
a = ( T1 / T2 - μ0 g ) /μ1 g
(1)
式中 ,μ0 g 为加速度为 0 gn 时对应的占空比 , 典型值
为 50 %;μ1 g 为 1 gn 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 / 125 MΩ。
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 ( A x / 1 g)
图 1 ADXL213 功能结构图
ADXL213 输出的是周期可调的与加速度成比
例的脉宽调制信号。用户通过外加电容 CX , 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。
在温度影响下 ,加速度传感器会产生偏移。对
温度的偏移补偿可以使用下面公式 :
A OC = A + ( a + b × T + c × T2 )
(6)
AOC 是温度补偿后的加速度信号 , A 是未经补偿的加
速度 , T 是温度 , a, b, c 是根据加速度传感器所选定的
参数。要获取这些参数需要在整个温度范围内选三个
第2期
田小芳 ,陆起涌等 :基于加速度传感器的倾角仪设计
363
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。
(2)
[angle ] ( y) = arcsin ( A y / 1 g)
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。
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
输出最大值时表明 X 轴输出为重力加速度 1 gp ,记为 Xmax ;将 PCB 板旋转 180°,同样测出 - 1 gp 时的输出 ,记为 Xmin ,可以计算出 0 gp 和 1 gp 时的参数 :
0 gp = ( Xmax + Xmin ) / 2 (5)
1 gp = ( Xmax - Xmin ) / 2 在软件设计中加入处理标定的程序 ,可以提高
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
由于器件的差异 ,芯片的基本参数 (0 gp ,1 gp ) 各有差异 ,此外同一器件的 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 0 gp 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
质检测 ,价格昂贵 ,响应速度慢[2 ,3] 。本文利用新型单片双轴 M EMS 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。
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 ×RF ×C( X , Y)
(3)
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
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 0 gp 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
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
第 19 卷第 2 期 2006 年 4 月
传感技术学报
CHIN ES E J OU RNAL O F S ENSORS AND ACTUA TORS
Vol . 19 No. 2 Ap r . 2006
Design of Tilt2Sensor Based on Accelerometer
T I A N X i ao2f an g , L U Qi2y on g , X I O N G Chao
( E. E. Dept m. Fu dan Uni versit y , S han ghai 200433 , Chi na)
Abstract :The p rinciple of tilt detecting using accelero meter ADXL213 is analyzed. The designing met hod of digital dual tilt2sensor based o n ADXL213 and t he hardware and soft ware implement are al so described. The p recisio n is imp roved by selecting t he p roper f requency and bandwidt h , calibrating t he initial parame2 ter and co mpensating t he erro rs. Co mpared wit h t he co nventio nal met hod , it has high sensitivit y and rapid respo nsibilit y. Experimental measurement s show t hat it is fit for p ractical engineering applicatio n. Key words :accelero meter ; tilt detecting ; error correctio n ; ADXL213 ; MCU system EEACC :7230 ;7320 E

基于加速度传感器的倾角仪设计

基于加速度计的数字倾角仪误差建模与分析

一种基于三轴加速度传感器的倾角测量装置

基于ADXL345三轴加速度计的倾角测量系统

基于MEMS加速度传感器的倾角仪设计方法

基于加速度计的数字显示倾角测量仪

电子设计大赛实验报告——倾角测量仪

加速度 陀螺仪 算倾斜角-定义说明解析

基于MEMS传感器技术的倾角测量仪设计

加速度陀螺仪算倾斜角-定义说明解析