基于单片机的重力加速度测量
基于压电加速度计速度测量信号调理电路设计
课程设计报告题目基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计2014-2015 第二学期专业班级2012级电气5班姓名赵倩学号************指导教师马鸣教学单位电子电气工程学院2015年7月6日课程设计任务书一、压电式加速度传感器的概要 (4)二、信号采集系统的总设计方案 (5)三、信号采集系统分析 (6)1、电荷转换部分: (6)2、适调放大部分 (6)3、低通滤波部分: (7)4、输出放大部分 (7)5、积分器部分： (8)四、单片机软件设计 (8)五、Multisim仿真分析 (10)1．仿真电路图 (10)2.仿真波形及分析 (11)六、误差分析 (11)1、连接电缆的固定 (11)2、接地点选择 (12)3、湿度的影响 (12)4、环境温度的影响 (12)七、改进措施 (12)六、心得体会 (12)七、参考文献 (13)前言在数据采集领域，NI作为虚拟仪器技术的开创者和领导者，也是基于PC的数据采集产品的领导者，为用户提供了最为广泛的数据采集设备选择。
但配备NI公司的数据采集硬件及软件比较昂贵，并且对于本文中在实验室进行的压电加速度传感器信号的采集，其输出模拟量为缓变低频信号，采用总线型。
压电式加速度传感器是以压电原材料为转换元件，输出与加速度成正比的电荷或电压量的装置。
由于它具有结构简单、工作可靠等性能，目前已成为冲击振动测试技术中使用广泛的一种传感器。
世界各国作为量值传递标准的高频和中频基准的标准加速度传感器，都是压电式的。
本文基于上述特点对压电加速度传感器低频信号进行了分析，同时在参阅大量文献资料的情况下设计了基于单片机的压电加速度传感器低频信号的采集系统。
基于单片机的压电加速度传感器低频信号采集系统的设计一、压电式加速度传感器的概要压电式加速度传感器是一种典型的自发式传感器，又称压电加速度计，它也属于惯性式传感器。
它是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的电压效应为转换原理的传感器。
基于加速度传感器和单片机的毕业设计
生活中矛盾和事件所引起的心理反应，主要是情绪反应，所以心理调节和控制的最基本点，可以说是调节和控制情绪。其中，情绪的舒缓与疏导显得尤为重要。当人们承受着巨大的精神压力时，可以用合理的方式把这种压力表达释放出来。情绪的释放有多种方式，比如说找人谈话、培养乐观生活态度等。而通过玩具等辅助手段来释放情绪的方法也越来越引起人们的关注。这种方式不仅简单方便、易于操作，还具有很多趣味性。
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
基于SPCE061A的“出气宝宝”系统设计，可以看作是一款智能玩具的开发。该系统具有调节心理、缓解情绪的作用，适应了当代心理问题比较突出的社会现实。这样的开发设计无疑拥有开阔的市场和广大的受用人群，会对调节人们的心理健康、改善人们的工作学习氛围、增进生活氛围的和睦、乃至促进社会和谐都有着重要的意义。
基于单片机的单摆法智能重力加速度测量装置的研制
⑥
２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｒ ０ ２ ｃ ｅｈ Ｅ ｇｇ ． ．
一
般 科 学技 术
基 于 单 片机 的单 摆法 智 能 重 力加 速 度测 量 装 置 的研 制
郭敏 强 郭 启 凯 王 伟 丽 聂 士 忠
（ 国石 油 大学 （ 东 ） 学 院 ， 岛 ２ ６ ８ ） 中 华 理 青 ６ ５ ０
多研究 ， 有 一 些 专 利 或 论 文介 绍 自 己 的 研 制 方 并 法 ， 行重 力 加 速 度 的测 量 。在 前 人 的基 础 上 ， 进 设 计 出了一 种 新 的用 单 摆 法 进 行 重 力 加 速 度 智 能 测
量装 置 。该 方 案 改 变 了传 统 的单 摆 测 量 周 期 的方 法， 采用微 处 理 器 结 合 光 电 技 术 进 行 自动计 时 ， 自 动计 算 ， 以测 量 不 同 区 域 重 力 加 速 度 的 第 一 数 可 据 ， 现重 力 加 速 度 的智 能 化 和 高 精 度 测 定 ， 有 实 具
６６ ７７
ｇ＝
（） １
设摆 动次 数为 ｎ 系统 中断次 数 为 ｍ， 么 凡和 ， 那 ｍ 的关 系 为 ：
ｍ ＝２ ｎ＋ １ （） ３
测 量精 度高 、 度快 ， 便 灵 活 、 携 带 、 本 低 廉 、 速 方 易 成 耗能低 等优 点 。
中， 如果 地壳 上升 或下 降 １ ｍ， 引起 ３×１ ｍ ０ｍ 将 ０ ／
ｓ（ ３微 伽 ） 的重力 加速 度变化 … 。 科 学 界早 已认 识 到这 一 测 量 的重 要 性 ， 是 测 但
中图法分类号
准 确测量 地球 各 点 的绝 对 重力 加 速 度值 ， 国 对 防建设 、 济 建 设 和 科 学 研 究 有 着 十 分 重 要 的 意 经 义 。 比如 ， 远程 洲 际 弹道 导 弹 、 造地 球 卫 星 、 宙 人 宇 飞船 等都 在 地 球 重 力 场 中运 动 。在 设 计 太 空 飞 行 器 时 ， 要首先 知 道 准 确 的重 力 场 数据 。为 提高 导 也 弹射击 准确度 ， 须 准确 测 量 导 弹发 射 点 和 目标 的 必 位置 ， 同时 也 必 须 准 确 掌 握 地 球 形 状 和 重 力 资 料 。 据 有 关 资料 表 明 ， １万公 里 射 程 洲 际导 弹 在 发 射 点 若有 ２×１ ｍ ｓ （ ． ０ ／ ０ ２毫 伽 ） 的重 力 加 速 度误 差 ， 则将 造成 ５ 的射 程误差 ； ０ｍ 发射 卫 星最后 一级火 箭 速度 若有 千分 之二 的相 对误 差 ， 星 就 会 偏 离预 定 卫
基于ATMega16单片机的数字式水平测量仪设计
接下来推导图 １中 的计算公式 。 的计算公式推 导如
下：
ｏ －
ＯＡ＝ ． ａ ＡＯＡＸ是 亘 角 二 角彤 ， Ｏ ＡＸ＝ Ｏ
图 ２ 数 字式 水 平测 量 仪 硬 件 组成
拟输 出能提高信号 的灵 敏度并 大大的减小共模 噪声。 Ｓ Ａ１０ Ｃ ０ Ｔ输 出 的模 拟电压 。 的范 围是 ０５ ． Ｖ到 ４５ 电 ．Ｖ，
压 转 换 成 角 度 的公 式 为 ：
～
明 就是所求倾 角传感器所在平 面与水平 面 的夹 角 （ 两个平 面 的夹角定理 ）其证 明如下 ： ，
通 讯 作 者 ： 庆 泉 （９ ９ ） 男 ， 王 １７ 一 ， 汉族 ， 西 兴 平人 ， 士研 究 生 ， 程 师 ， 究 方 向为 嵌 入 式 系统 应 用研 究 。 陕 硕 工 研
１ ｌ 科技视界 ｓ Ｎｃ ８ ｃ Ｅ Ｅ＆ Ｔ ｃ Ｅ ＨＮ。Ｌ 。ＧＹ Ｖ ｓ。Ｎ
Ｓ ｉｎ ｅ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙＶｉ ｏ ｃｅ ｃ ｃ ｎ ｌｇ ｓ ｎ ｉ
２１ ０ ２年 ０ ３月第 ０ 期 ７
科 技 视 界
项目 与课题
基于 Ａ Ｍｅａ６ Ｔ ｇｌ 单片机的数字式水平测量仪设计
梁 小椿 王庆 泉 （ 兴学 院机 电工程 学 院 浙江 嘉
【 摘
一
嘉兴
３４ ０） １ ０ １
．
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得到几何立体 图形 图 １ ：
又 ‘ ． 。 ０ＸＹ ｎＡＸＹ＝ ＸＹ
※项 目资 助 ：０ １年 度 嘉 兴 学 院 校 级 重 点 ＳＲ ２１ Ｔ计 划 项 目 。 目编 号 ８ １ １ ０ ０ 项 ５７ １５ 。
作者简 介： 梁小椿 （９ ６ ） 男， １８ 一 ， 汉族 ， 四川合江人 ， 嘉兴学院 ２ ０ 级本科 生， ｑ ￣ 息工程专业。 ０８ ， － ｇ
基于51单片机的称重系统设计
单片机作业学院计算机与控制工程学院专业自动化132学号2013022030姓名王伟基于 51 单片机的称重系统一动态称重所谓动态称重是指通过分析和测量车胎运动中的力，来计算该运动车辆的总重量、轴重、轮重和部分重量数据的过程。
动态称重系统按经过车辆行驶的速度划分，可分为低速动态称重系统与高速动态称重系统。
因为我国高速公路的限速最高是120，所以高速动态称重系统在理论上可对 5 到 120 之间时速通过称量装置的车辆进行动态称重。
而低速动态称重系统则一定要限制通过车辆的行驶速度，要想有较高的测量精度，理论要求车辆在5km/h 以下时速匀速通过。
在我国，车辆动态称重一般都使用低速动态称重来完成，在很多收费站和车辆检测站都有应用，国家也出台了相关的测量标准。
与传统意义上的静态称重相比，动态称重可以在车辆缓慢运动情况下直接进行称重，这样动态称重的高效率、测量时间短、能流畅交通等主要特点就凸显出来了。
动态称重的问世，不但使车辆的管理上有了很大的促进作用，而且还对我国的公路管理和维护起到了至关重要的作用。
二系统总体结构及其功能设计总体结构是以51 单片机为处理器的系统，如图 3.1 所示。
上位机键盘输入A/D转换器放大器ADC0832OP07AT89C51桥式称重传感器RS232转换器单片机WPL110蜂鸣器LED显示图3.1本设计要求能判断出车辆是否超载，如果车辆超载，本系统能够提供该车辆的超载信息并发出警报。
本设计采用STC89C52单片机作为系统的处理核心，利用桥式称重传感器到A/D 转换器中转换为数字信号，再经过单片机处理、传输到接口电路，最后送到上位机，该数据可以与上位机里用键盘事先输入设定的总重量作比较并判断出该车辆是否超载，如果超载，则可通过显示器、蜂鸣器作显示超载信息并报警，当然，键盘的作用除了输入设定值还可以解除和开启警报。
三动态称重系统的组成动态称重系统主要由车辆重量（含超载、偏载检测）检测子系统、货车长、宽、高三维尺寸超限检测子系统、自动触发摄像拍照子系统、车辆类型自动判别子系统、系统配置及系统维护子系统、行驶车辆速度测量子系统、数据统计、报表处理子系统和单据输出打印子系统这几部分组成。
低功耗倾角测量仪的设计制作 采用美国TI公司超低功耗单片机MSP430
摘要：本系统采用美国TI公司超低功耗单片机MSP430，制作出一台可以测量出倾斜角度，x、y、z三个方向的重力加速度分量的手持倾角测量仪。
系统集成了MSP430、三轴加速度传感器ADXL345、低功耗笔段式液晶显示屏、高效率DC-DC降压模块TPS54331、1.5-25v升压模块等硬件电路。
降压模块效率高达90%，单个2200uf/50v电解电容充电到25v可以让MSP430单片机工作一分多钟，真正实现了超低功耗。
系统角度测量精度达±1度，重力加速度分量精度达±5%，显示分辨率0.1度，符合设计要求。
关键词：超低功耗，MSP430，倾角测量，ADXL345模块1 系统方案本倾角测量仪耗电极低，要求用单个充电到25v的2200uf电解电容可以工作至少60秒，5秒测量一次。
倾角测量仪的测角范围为0～90度，测量精度要求达到±5度。
并且可以测量并显示沿X、Y、Z方向重力加速度分量的功能，要求测量精度为±5%。
可以总结地说，本系统原理简单，但是要求苛刻，需要参赛队员认真选取器件，做到不在任何一个地方浪费电能，同时不为节省电能而丢失半点精度。
1.1设计思路以MSP430单片机位系统控制核心，利用ADXL345三轴加速度传感器把重力加速度分量转化为单片机可以处理的数字量，最终得到我们需要的倾角量。
2200uf\50v 电解电容充电至25v后经DC-DC降压稳压至2.7v后给整个系统供电。
系统结构见图1：图1 系统结构图1.2方案论证1.2.1MCU的选择本系统的一大要求就是低功耗，而MCU是本系统耗电最多的单元之一，如何才能使充电25v的2200uf电容给系统供电一分多钟，毫无疑问MCU的选择至关成败.方案一：mega16单片机功能强大，性能优越，速度快。
但是功耗大，完全不能胜任。
方案二：MSP430单片机是TI推出一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor），并且具有强大地休眠和唤醒功能。
测量重力加速度实验报告
本次实验旨在通过单摆法测量重力加速度，加深对简谐运动和单摆理论的理解，并掌握相关实验操作技能。
二、实验原理单摆在摆角很小时，其运动可视为简谐运动。
根据单摆的振动周期T和摆长L的关系，有公式：\[ T^2 = \frac{4\pi^2L}{g} \]其中，g为重力加速度。
通过测量单摆的周期T和摆长L，可以计算出当地的重力加速度。
三、实验仪器1. 铁架台2. 单摆（金属小球、细线）3. 秒表4. 米尺5. 游标卡尺6. 记录本四、实验步骤1. 将单摆固定在铁架台上，确保摆球可以自由摆动。
2. 使用游标卡尺测量金属小球的直径D，并记录数据。
3. 使用米尺测量从悬点到金属小球上端的悬线长度L，并记录数据。
4. 将单摆从平衡位置拉开一个小角度（不大于10°），使其在竖直平面内摆动。
5. 使用秒表测量单摆完成30至50次全振动所需的时间，计算单摆的周期T。
6. 重复步骤4和5，至少测量3次，取平均值作为单摆的周期T。
7. 根据公式 \( g = \frac{4\pi^2L}{T^2} \) 计算重力加速度g。
1. 小球直径D：\(2.00 \, \text{cm} \)2. 悬线长度L：\( 100.00 \, \text{cm} \)3. 单摆周期T：\( 1.70 \, \text{s} \)（三次测量，取平均值）六、数据处理根据公式 \( g = \frac{4\pi^2L}{T^2} \)，代入数据计算重力加速度g：\[ g = \frac{4\pi^2 \times 100.00}{(1.70)^2} \approx 9.78 \,\text{m/s}^2 \]七、误差分析1. 测量误差：由于测量工具的精度限制，如游标卡尺和米尺，可能导致测量数据存在一定误差。
2. 操作误差：在实验过程中，操作者的反应时间、摆动角度的控制等因素也可能导致误差。
八、实验结论通过本次实验，我们成功测量了当地的重力加速度，计算结果为 \( 9.78 \,\text{m/s}^2 \)。
智能化改进单摆测重力加速度实验仪器
技 拳Ｊ
酸处理磷石膏， 把磷 、 氟杂质转化为可水洗 的柠檬酸盐 、 铝酸 壤改 良剂。可用 于生产硫酸钾 、硫酸铵并联产硫酸钾铵和氮
多年来 ，国内农科 院所不断进行 了磷石膏 改良土壤的试
现在 ７ ５ ％的磷石 膏已被用来生产水泥缓凝剂 。 １ ９ ９ ９ 年我 国铜 验研 究， 结果表明： 磷石膏是一种 良好的硫肥 ， 施用后对油料
二 ３
ｕ ｌ ｏ ｎ ｇ ｔ ｉ ｍｅ ， ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ；
．
ｖ ｏ ｉ ｄ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ｍｓ （ ｕ ｃ ｈ ｒ ａ ｍｓ ） 图 ｌ整体设计框 图 ２各个模块工作原理
２ Ａ 激 光 对 射 部 分
ｕ ｅ ｈ ｒｊ ａ ； ｆ ｏ ｒ （ ； ｍｓ ＞ Ｏ ； ｍｓ 一 ）
｛
ｕ ｉ ｎ ｔ ｒ ｌ ｌ ， ｎ ； Ｔ Ｒｌ ＝ ０ ：
图 ３反射式超声波测距仪的方框 图
如 图所示超声波测距 的原理 ，既超声波发生器 Ｔ发 出超
Ｔ Ｈ１ ＝ ０ ｘ ０ ０ ； Ｔ Ｌ１ ＝ Ｏ ｘ Ｏ ０ ；
声波信号 ， 遇 到被 测物 体后 反射 回来 ， 被超声波接收器 Ｒ接收 到 。只要计算 出从发 出超声波信号到接收到返回信号所用的
陵化 工集 团投产 了一套 １ ０ ０ Ｋ ｆ ａ 的水泥 缓凝剂装置 ， 用户 反映 作物 （ 如花生、油菜、大豆 、芝麻、向 同葵等 ）的增产 约为 良好 。杭 州水泥』 、 马鞍 山水泥』 、 上海水泥』 ‘ 的实践表明：
１ ５ ％￣ ３ ０ ％， 每亩盐碱地 Ｐ Ｈ＝９施用 ３ ０ ０ ～ １ ６ ０ ０ ｋ ｇ 磷石膏 ， 改良
ＴＲ １ ＝ｌ ：
其 中： ｄ为被测物于测距器 的距离 ； ｓ 为声波 的来 回路程 ； ｖ为声速； ｔ 为声波来回所用的时间 。 超声波测距器的算法设计
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基于单片机的重力加速度测量
王磊
摘要：重力加速度通常使用重力加速度测量仪进行测量，其测量过程是通过两个光电门检测物体的下降时刻，由数字毫秒计显示物体所经历的时间，最后通过繁琐的手工计算求得，主要缺点是效率较低且不可避免粗大误差的影响。
为了提高实验效率以及实验结果的准确度，我们对传统重力加速度测量仪进行了改进，主要是利用单片机对原实验的光电信号进行检测，通过VC编程完成较精确的计算、存储、显示以及数据处理等一系列工作，极大的改善了实验环境、丰富了实验内容以及提高了实验效率。
关键词：重力加速度；单片机；VC++
0 引言
在力学实验中，通常测量重力加速度所用的重力加速度测量仪[1]，是通过光电门得到物体的下降时间，并由数字毫秒计显示，通过设定不同的距离进行多次测量，然后按最小二乘法进行手工计算求得重力加速度值。
其主要缺点是手工计算不方便，会引入计算误差，实验效率较低。
为了精确、有效地测量出重力加速度，设计了以上位PC机VC++程序作为主控制机，以AT89C51单片机作为辅助的重力加速度测量装置，所测时间以10μs 计，误差小，精度高，功耗低，比较适合物理实验用。
1 基本测量原理
物理上测量重力加速度的方法有很多，比如落体法、摆球法、液体测量法等等[2]。
本文采用落体法测量重力加速度。
基本原理如下：
(1)根据自由落体运动，测下落的高度和时间．高度可由米尺测出。
测量时间可用手表、秒表、打点计时、闪光照片、滴水法(自来水、滴定管)、光电门、单片机等。
(2)利用小球在保证初速度不变的情况下下落两个不同的高度，则有
，。
是小球经过上光电门时的初速度。
由上两式得：
(3)针对上个方案。
采用多种数据处理，实验方案也不同，如多次测量、逐差法、作图法、最小二乘法等。
其结构简图如图1所示。
开始时小刚球7被电磁铁6吸住，测量时断开电磁铁，使钢球以初速度为零下落，钢球依次通过二只光电管4和5，落到球座2中的球窝内，测量过程结束。
1—底座 2—球座 3—立柱及标尺 4—移动光
电管 5—固定光电管 6—电磁铁 7—小钢球
图1 测量装置简图
2 系统硬件电路及程序
2.1 硬件电路
本系统采用AT89C51芯片，完成从光电门接收数据，并把接收到的数据发送到PC机，而其他外围设备或芯片都起到辅助作用。
AT89C51的最小系统电路图如图2中间部分所示，它由三部分组成：复位电路、时钟电路、中断指示电路[3]。
复位电路和时钟电路都是使单片机正常工作所必须的电路，而对于指示灯电路是为了说明有外部中断信号。
AT89C51外部中断电路的作用是实现外部中断信号，也就是在遮光杆通过光电门时要单片机产生外部中断。
AT89C51串口通信电路的功能：实现AT89C51单片机的串口和计算机的串口之间基于RS232的串口通信。
这就需要在它们之间接一个RS232串口标准的接口芯片—MAX232。
MAX232是连接AT89C51单片机和计算机DB9插头的中转站，即实现把TTL／CMOS数据转换成RA232数据，从而以实现AT89C51与计算机的串行通信。
MAX232外围电路如图2右边部分所示。
图2 单片机及外围电路图
2.2 单片机程序
单片机主要实现的是光电计时功能：就是要在金属小球通过第一个光电门时
产生一个外部中断，然后进入中断子程序执行开始计时的任务并使中断指示灯点亮；当金属小球通过第二个光电门时，单片机产生一个外部中断，然后进入中断子程序，执行停止计时的任务，并将时间以串口通信的方式发送至PC。
整个程序由二个外部中断子程序、计时子程序(T0来计时)以及串行口数据发送子程序(T1用于波特率的设置)。
而主程序是一个空操作，用于等待中断。
2.3 PC机VC++程序设计
系统的前面板包括：实验参数输入、测量步骤选择和显示三部分[4]。
通过实验参数输入部分可以对小球的质量和两个光电门的位置进行自由设置，例如S1取30cm，S2取130cm。
测量步骤选择下拉列表中包括本实验的二个实验步骤，即测量t1，t2和数据处理，依次选择这二个步骤，可以对t1，t2重复测量5次，计算重力加速度以及误差，并表示出测量结果。
显示部分用于显示测量次数，测得的时间量值及二个光电门的位置、实验结果和相对误差。
图3 程序流程
3 结论
本文讨论的方法主要是利用单片机对原实验装置的光电信号进行检测，省去原实验中用的数字毫秒计，利用PC机进行较精确的计时并完成繁琐的最小二乘法计算过程，进一步显示计算出实验结果，在此基础上还可有效的对实验数据进行存储、打印以及与上位计算机联网以进一步扩充实验功能等，对于促进实验改革具有一定的现实意义。
用单片机取代数字毫秒计测量重力加速度，使得测量结果精确度高，可靠性好[5]。
测量时间的精度比数字毫秒计提高了两个数量级；而且单片机价格便宜、结构简单，一套单片机测量系统的价格仅为原来用数字毫秒计价格的一半，且单片机是集成块插件结构，坏了容易修复。
将计算机技术与测量技术有机结合，测量时只要在开始测量之前一次输入必要的参数，启动测量后仪器即可一次测出多个数据，由程序自动完成各种数据处理和误差计算，可极大地减少人为因素而导致的各种较大误差，提高测量准确度。
而且测量基于VC++编程，只要在软件上稍加改动，就可将其应用到其他相关的测量实验中去。
参考文献：
[1]王云才. 大学物理实验教程[M]. 北京：科学出版社，2008：160—161
[2]胡巍. 测量重力加速度原理[J]. 牡丹江师范学院学报，2006,1(1):20-21
[3]张俊藻. 单片机中级教程[M]. 北京：北京航空航天出版社，2006：25—37
[4]孙鑫. VC++深入详解[M]. 北京：电子工业出版社，2006：200—245
[5]肖运虹，操长茂. 用8031单片机测量重力加速度[J]. 江汉大学学报，1996,13(3):17-18。