基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的设计

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基于加速度传感器的计步器设计

微机电系统设计与制造到宿到山顶舍：四点底但是的是是的上单上单是的目录0 引言 (1)1 人体运动模型 (2)2 算法设计 (3)3 硬件实现 (5)4 结论 (6)参考文献 (7)基于加速度传感器LIS3DH 的计步器设计摘要：设计了一种基于微机电系统( MEMS) 加速度传感器LIS3DH 的计步器，包括运动检测、数据处理和显示终端。

数字输出加速度传感器LIS3DH 作为运动检测模块，检测人体运动时加速度变化; 数据处理模块对加速度信息进行处理，使用FFT 滤波和自适应频率范围去除噪声对加速度信号的影响，利用加速度变化的上升、下降区间实现计步功能。

实验结果表明: 该计步系统具有体积小、结构简单、功耗低、工作稳定的特点，能够提供较高精度的计步功能。

关键词：微机电系统; 计步器; 加速度传感器; 高精度0 引言计步器是一种日常锻炼进度监控器，可以计算人们行走的步数，估计行走距离、消耗的卡路里，方便人们随时监控自己的健身强度、运动水平和新陈代谢。

早期的机械式计步器利用人走动时产生的振动触发机械开关检测步伐，虽然成本低，但是准确度和灵敏度都很低，体积较大，且不利于系统集成。

随着MEMS 技术的发展，基于MEMS 技术的惯性传感器得到迅速发展，其具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特点，利用MEMS 加速度传感器设计的电子计步器，通过测量人体行走时的加速度信息，经过软件算法计算步伐，可以克服机械式计步器准确度和灵敏度低的缺点，可准确地检测步伐，同时还可以输出运动状态的实时数据，对运动数据进行采集和分析。

本文基于LIS3DH［1］加速度传感器设计了一种电子式计步器，该传感器是意法半导体( ST) 公司的三轴重力加速度传感器，可以精确测得人行走时的步态加速度信号，具有功耗低、精确度和灵敏度高的特点。

1 人体运动模型通过步态加速度信号提取人步行的特征参数是一种简便、可行的步态分析方法。

行走运动包括3 个分量，分别是前向、侧向以及垂直向，如图1 所示。

mems 计算倾角

mems 计算倾角用MEMS计算倾角MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种微型电子机械系统，通常由微型传感器、微处理器和微机械组件组成。

在工程和科学领域，MEMS被广泛应用于测量和控制应用中。

其中一个常见的应用是测量物体的倾角或倾斜度。

本文将介绍如何使用MEMS 计算倾角，并探讨一些相关的技术和应用。

我们需要了解MEMS传感器的工作原理。

MEMS传感器通常基于微机械系统的变形或位移来测量物体的倾角。

常见的MEMS传感器包括加速度计和陀螺仪。

加速度计用于测量物体的线性加速度和倾斜度，而陀螺仪用于测量物体的角速度和旋转。

借助MEMS传感器，我们可以计算物体的倾角。

倾角是物体相对于重力矢量的角度。

传统上，倾角可以通过使用水平仪或倾斜仪来测量。

然而，现代技术的发展使得使用MEMS传感器更为方便和准确。

要计算倾角，我们首先需要获取MEMS传感器的输出数据。

这些数据通常以数字信号的形式提供，可以通过连接传感器到微处理器或电脑来获取。

接下来，我们需要将这些数字信号转换为物体的倾角。

对于加速度计，我们可以使用三轴加速度计的输出数据来计算物体的倾角。

通过测量物体在三个方向上的加速度，我们可以计算出物体相对于重力的倾角。

这可以通过应用三角函数来实现。

具体而言，我们可以使用反正切函数来计算物体在水平方向和垂直方向上的倾角。

然后，我们可以使用这些倾角来计算物体的综合倾角。

对于陀螺仪，我们可以使用其输出的角速度数据来计算物体的倾角。

通过积分陀螺仪的角速度数据，我们可以获得物体相对于初始位置的旋转角度。

然后，我们可以使用这个旋转角度来计算物体的倾角。

除了计算倾角，MEMS传感器还可以用于其他应用，如姿态控制和导航。

通过结合加速度计和陀螺仪的输出数据，我们可以实现更精确的姿态控制和导航。

例如，在飞行器中，MEMS传感器可以用于测量飞行器的姿态和方向，从而实现准确的飞行控制。

总结起来，MEMS传感器是一种用于测量倾角和姿态的微型电子机械系统。

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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旋转状态下动态倾角测量系统设计

Ｋｅｒｓｃｒｕｏａｉｎｃｎｉｏ；ＭＥＭＳｅｔｉｅａａｃｌｒｔｎｎｌｏｔｒｃｅｅｏｔｒｙｗｏｄ：ｉｍｒｔｔｏｄｔｎｃｏｉ；ｃｎｒｔｌｃｅｅａｉ；ｉｃｉｍｅｅ；ａｃｌｒｍｅｅｐｏｎ
（ｎｏｍａｉｎＡｃｕｓｔｎ＆ＤｅｅｔｎＫｅｂｒｔｒＩｆｒｔｑｉｉｏｏｉｔｃｉｙＬａｏａｏｙ，ｏ
ＢｉｎｎｏａｉｎＴｈｏｏｙＩｓｔｔ，ｅｉｇ１００，ｈｎ）ｅｉｇＩｆｒｔｅｎｌｇｔｕｅＢｉｎ０１１Ｃｉａｊｍｏｃｎｉｊ
ｗｉｅｏｒａｒｃｉａｉｎｆａｃｎｔｅｍｉｔｒｉｄｓｒ，ｖａｉｎ，ｐｃｆｇｔｎｖｇｔｎａｄｏｈｒａｅｓｌｂｆｅｔｐａｔｌｓｉｃｎｅｉｈｌａｙ，ｕｔａｉｔｌｇｃｇｉｉｎｙｏｓａｅｌｈ，ａｉａｉｎｔｅｒａ．ｉｏ
维普资讯
７２
传感器与微系统（ｍｎｄｃｒｎｉｒｙｔｅｈｏｇｓＴｓｕｅｄＭｃｏｓｍＴｃｎｌｉ）ａｓｅｏｅ
２００８年第２７卷第１期
旋转状态下动态倾角测量系统设计
王超，高国伟，潘雪，张军，赵瑜
Ａｂｔａｔｈ Ⅱ０ｏｒｅｏｅＭＥＭＳａｃｌｒｍｅｅｓｄｉｎｌａｉｎｍｅｓｒｍｅｔｕｄｒｔｅｃｒｕｔｎｅｓｒｃ：Ｔｅｅｒｓｕｃｆｔｈｃｅｅｏｔｒｕｅｎｉｃｉｔａｕｅｎｎｅｈｉｍｓａｃｎｏｃｏｉｕｌｔｔｎｉｒｓｎｅ．ｈｙａｃｉｃｉａｉｎｍｅｓｒｇｓｓｅｃｐｂｅｏｌｎｔｇｔｅｖｒｒｏｓｆｃｒｎｒａｉｓｐｅｅｔｄＴｅｄｎｍｉｎｌｔａｕｉｙｔｍａａｌｆｅｉａｉｈｅｙｅｒｒｉｅｏｏｎｏｎｍｉｎｅａｏａｅ．ｏｃｅｓａｅｃｍｐｒｄａｃｒｉｇｔｒｃｓｏｈｒｗａｅｓｌｂｒｔｄＳｍｅｓｈｍｅｒｏａｅｃｏｄｎｐｅｉｉｎ，ａｄｒ／ｏｗｒｏｔｎｏｌｘｔＴｅｓｕｙｏｔｙ

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，

MEMS-倾角传感器

基于微加速度传感器的倾角传感器
目录
倾角传感器简介倾角传感器分类及其原理电容式加速度微传感器倾角传感器测量原理总结
倾角传感器简介
在建筑施工或道路铺修中, 经常要对工程机械或机架装置进行调平校准, 并且要对施工质量进行检测, 这时遇到最多的问题就是水平与倾斜的测量。如果能设计一种带数字显示及数字通讯接口的倾角传感器, 用以代替基于水泡的各种水平尺等简陋工具, 既可以安装到这些施工机械上用于自动调平, 也可以作为对施工质量进行检测的仪表, 就正好适应了这种行业工作的需求。
微加速度传感器
MEMS 加速度传感器是惯性器件的一个大的种类，以其制造采用集成电路的加工工艺而明显地区别于其他惯性传感器，其优点在于寿命更长、制造成本低廉且可靠性更高。此外，还具有体积更小、重量更轻、耗电量更小、易集成、能大批量生产等特点。
微加速度传感器的种类
压阻式加速度微传感器电容式加速度微传感器谐振式加速度微传感器伺服式加速度微传感器隧道型加速度微传感器
tan1 ( Ay / Ax )
倾角传感器硬件系统
倾角传感器软件流程图
实验结果
在0 ~ 360° 测量范围内，测量精度可达到 ±0.3°，测量角度分辨率为0.01°
总结
基于加速度传感器的倾角传感采用CAN总线通讯, 保证了通讯的稳定、可靠, 采用先进的传元件, 精度高, 响应快; 质量轻, 外形小巧, 安装方便, 坚固耐用, 防护等级达到IP67, 是一款满足机械特定需求的数字式角度测量装置。
“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度θ或加速度的函数，因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。

《采用MEMS加速度传感器的边坡稳定安全监测系统设计》范文

《采用MEMS加速度传感器的边坡稳定安全监测系统设计》篇一一、引言边坡稳定安全监测系统在地质工程、环境科学、土木工程等领域中扮演着至关重要的角色。

对于防止地质灾害，如山体滑坡、泥石流等，实时、准确的边坡稳定安全监测系统是必不可少的。

随着微电子机械系统（MEMS）技术的快速发展，采用MEMS加速度传感器进行边坡稳定安全监测已成为当前研究的热点。

本文将详细介绍采用MEMS加速度传感器的边坡稳定安全监测系统的设计思路、方法及其实用性。

二、系统设计概述本系统以MEMS加速度传感器为核心，结合数据采集、传输、处理及报警等模块，实现对边坡稳定的实时监测。

系统设计的主要目标是提高边坡稳定监测的准确性和实时性，从而有效预防地质灾害的发生。

三、系统硬件设计1. MEMS加速度传感器：作为系统的核心部件，MEMS加速度传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快等优点。

通过测量边坡的微小振动，可以判断边坡的稳定性。

2. 数据采集模块：负责采集MEMS加速度传感器的数据，并进行初步的处理和滤波，以保证数据的准确性。

3. 数据传输模块：将处理后的数据通过无线或有线方式传输至数据中心。

4. 数据处理模块：对接收到的数据进行进一步的处理和分析，如信号处理、数据存储等。

5. 报警模块：当边坡出现异常振动时，报警模块会发出警报，提醒相关人员采取措施。

四、系统软件设计1. 数据处理算法：采用数字信号处理技术，对采集的加速度数据进行滤波、去噪、积分等处理，以获取边坡的位移、速度等信息。

2. 数据分析与预警模型：通过建立边坡稳定性的分析模型，对处理后的数据进行分析，判断边坡的稳定性。

当边坡出现不稳定趋势时，及时发出预警。

3. 用户界面：设计友好的用户界面，方便用户查看实时监测数据、历史数据、报警信息等。

4. 数据存储与备份：将处理后的数据存储在本地或云端数据库中，以备后续分析使用。

同时，定期对数据进行备份，以防数据丢失。

五、系统实用性与优势采用MEMS加速度传感器的边坡稳定安全监测系统具有以下优势：1. 高精度：MEMS加速度传感器具有高灵敏度和高分辨率，可以准确测量边坡的微小振动。

基于MEMS加速度传感器的倾角仪设计方法

24
2 <2 2g′
(第四象限计算公式 )
通过以上公式的计算处理 , 就可以得到任意时刻待
测系统的仰角 γ值和系统定位点相对于旋转轴垂面
内基准线的倾角值 θ。
3 测试灵敏度分析
当系统的仰角值 γ为 0°时 , 此时重力加速度在测量平面内的加速度分量为 g, 在曲线的变化率最小处 (即 α = 0°或 90°, 如图 4 所示 ) , 角度每变化 1°,重力加速度变化 1716 m g,在曲线的变化率最大
2 sin
π 4
-α
通道
1=
2 sin
π 4
-α
通道
2=
2 sin
α
-
π 4
通道
1=
2 sin
α
-
π 4
θ角与 α角关系
θ=α + 0°
θ=α + 90°
θ=α + 180°
θ=α + 270°
设通道
1
测量值为
φ 1
,
通道
2
测量值为
φ 2
,
则
各象限求解 θ角的函数关系式如下。
γ=
a rc sin
由于是双目标规划 , 当一个目标变化时 , 总的最优值也有变化。并且两个目标的不侧重会带来不同的最优解。
— 114 —
处 (即 α = 45°,如图 4所示 ) ,角度每变化 1°,重力加速度变化 2417 m g。
当系统的仰角值为 80°时 ,此时重力加速度在测量平面内的加速度分量就为 01174 g,在曲线的变化率最小处 (α即 = 0°或 90°,如图 4所示 ) ,角度每变化 1°,重力加速度变化 311 m g,在曲线的变化率最大处 (即 α = 45°,如图 4所示 ) ,角度每变化 1°,重力加速度变化 413 m g。

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ADC0 转换；（3） CNVSTR0 引脚输入信号上升沿，启动 ADC0
转换；（4） T2 溢出，启动 ADC0 转换。
在 ADC0 转换期间，AD0BUZY 位保持“1”，转换完毕自动
清零。 ADC0BUZY 下降沿使 AD0INT 置“1”，若中断开启，则引
发相应中断。该系统采用方式（1），步骤如下：先将 AD0INT 清
Design of digital dipmeter based on MEMS accelerometer
DUAN Xiao-min， LI Jie， LIU Wen-yi， SHA Cheng-xian （National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， Department of Electronic Science and Technology，
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速度计，其内部包含微机械电容传感单元、温度传感器、传感
直流电压，因此可以利用加速度计测量物体相对于水平面的运放电路和差分输出电路。 Model 1221 系列单轴加速度计有
倾斜角。新兴的 MEMS 加速度计传感器体积小、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 [2]，
性价比的 C8051F040。该单片机是系统控制核心，可完成数据
采集、A/D 转换、角度解算、LCD 显示控制。
2.4 LCD 显示器 LCD1602
LCD1602 显示容量为 16×2 个字符，工作电压为 4.5~5.5 V，
在不开启背光灯时工作电流为 2 mA。其优点是显示效果好、
价格低、开发方便。
4 结论
图 4 LCD1602 写操作时序图
利用 MEMS 加速度计和 SoC 单片机组合设计的倾角测量仪具有体积小、重量轻、功耗低、响应速度快、使用方便等优点。通过标定和误差补偿加速度计，测量倾角精度可达 0.03°，该测量仪在机械、建筑、军事等领域具有广阔应用前景。参考文献: [1] 马洪连，郑保重，王伟.基于 MEMS 技术倾角测量系统的
生产的八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器，它的 3
dB 截止频率可以在 0.1～25 kHz 之间选择。开关电容滤波器
需要 1 个时钟驱动电路工作，该时钟的频率应为 3 dB 截止
频率的 100 倍， MAX291 的滤波实现有外时钟和内时钟两种
各有差异，传感器在不同温度下的输出也会有变化，再而安装
电路板也会造成一定误差，因此要提高测量精度，就需要在使
用前测试标定的相关参数，再根据具体温度进行误差补偿。解
算完的倾角值在 LCD 实时显示，单片机控制 LCD 显示，图 4
为单片机控制 LCD1602 写操作的时序图。
2 系统硬件设计
17.5 mg，而当加速度传感器敏感轴与重力平行时，每倾斜 1° 所引起输出加速度的变化约为 0.15 mg[4]。为保证精度，该系统设计量程为 ±45°。
图 1 为系统组成框图，系统硬件由 MEMS 加速度计 2.2 调理电路
1 引言
许多应用领域中经常需要测量某个平面是否处于水平位置，或测量该平面相对于水平面的夹角。目前的倾角测量
图 1 系统组成框图 2.1 MEMS 加速度计 Model 1221
工具主要是传统的水泡式水平尺，无法准确得到倾斜角度[1]。
Model 1221 是一款低功耗、低噪音、低成本的 MEMS 加
C8051FXXX 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片
（SoC），具有与 MCS-51 完全兼容的指令内核。该系列单片机
采用流水线处理（pipe line）技术，不再区分时钟周期和系统周
期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效
零；再将 AD0BUZY 置 “1”，启动 ADC0 转换；然后查询
AD0INT 是否为 “1”，即查询 ADC0 是否转换完毕；最后处理
ADC0 转换数据。 ADC0 转换只需 16 个时钟周期。若 ADC0 时
钟与系统时钟相当，则查询实时性比中断实时性高 [6]。
示。该倾角测量仪具有体积小、重量轻、精度高的特性，可广泛应用于建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等重力参考
系下测量倾角的场合。
关键词: MEMS 加速度计；倾角测量仪；单片机；误差补偿
中图分类号: TP212.9
文献标识码: A
文件编号 :1674-6236 （2009 ）08-0071-02
3 系统软件设计
系统上电后，首先初始化，ADC0 采集 MEMS 加速度计输出的加速度信号和温度信号，采集完一次后根据加速度信号计算出具体的加速度值并进行温度补偿，则得到补偿后的加速度值，再计算出加速度值所对应的倾角值，最后将倾角值输出至 LCD1602 显示。系统软件流程如图 3 所示。 3.1 C8051F040 的 A/D 采集与实现
多种量程可供选择，根据设计需求选用量程为 ±2 g 的 1221L-002。加速度计测量倾角的基本原理是：通过测量重力
而新兴的 SoC 型单片机也因其高度集成化的优点得到广泛应用。介绍一种基于 MEMS 加速度传感器以及 SoC 型单片机
North University of China， Taiyuan 030051， China）
Abstract:A new type digital dipmeter combined with the MEMS accelerometer and the SoC-type C8051F040 MCU is designed.By conditioning and A/D acquisition for MEMS accelerometer output signal,it compensates the temperature after obtaining digital signal,calculates inclination value and uses LCD1602 display.The dipmeter features small size,light weight,high precision,it can be widely used in building,machinery,roads,bridges and geological exploration and so on, such as gravity reference system to measure the inclination. Key words: MEMS（Micro Electro Mechanical System） accelerometer; dipmeter; MCU; error compensation
C8051F040 内部集成有 ADC0、 ADC1 两个 A/D 转换器，ADC0 为 12 位图 3 系统软件流程转换精度，ADC1 为 8 位转换精度。该系统采用 ADC0，该转换器有 9 个通道，可动态选择模拟输入量进入 A/D 转换，最高转换速度可达 100 kB/s。在转换前，可编程增益放大器 PGA0 对模拟量放大或缩小，以满足实际需要。 ADC0 还有一个可编程监控模块，当 ADC0 转换结果符合监控预设值，并且相应中断开启时，将引发相应中断。 ADC0 有 4 种启动方式：（1）将 AD0BUZY 位置 “1”，启动 ADC0 转换；（2） T3 溢出，启动
方式，内时钟方式电路简单，只需外接 1 只电容。其电容大小
可确定：
fOSC（kHz）=
105 3COSC（pF）
（1）
式中， fOSC 为 MAX291 的时钟频率，电容 COSC 为 MAX291 提
供内时钟。因此系统采用 67 nF 电容得到 5 Hz 的截止频率。
2.3 SoC 型单片机 C8051F040
摘要:设计由 MEMS 加速度计与 SoC 型单片机 C8051F040 组合而成的一种新型数字倾角测量仪，通过对 MEMS 加
速度计的输出信号进行调理和 A/D 采集，并且在获得数字信号后进行温度补偿，解算出倾角值并通过 LCD1602 显
Model 1221 及其调理电路、C8051F040 单片机、LCD1602 型
图 2 为加速度计 Model 1221 的调理电路框图。
液晶显示器组成。 Model 1221 输出的加速度电压信号经调理
电路放大、滤波等处理后进入 C8051F040 内部集成的 12 位
3.θ=arcsin（A/g）
（2）
式中，θ 为倾角，A 为加速度计的加速度值，g 为重力加速度。
式（2）中 A 是经标定后的加速度值，标定数据存在