基于MEMS技术倾角测量系统的设计与实现

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1、第26卷第8期增刊仪器仪表学报2005年8月基于MEMS技术倾角测量系统的设计与实现马洪连郑保重王伟(大连理工大学大连116024)摘要利用MEMS电子倾角传感器和430低功耗单片机测量重力参考系下全圆周范围内的倾斜角度值。介绍了一种利用Matlab分析弦函数关系模型的方法,并在此基础上将双轴(单轴±90°)关系映射到单一角度空间(360°),实现了全圆周角度测量;最后介绍了系统的硬件构成。关键词曲线拟合温漂热交换校正因子脉宽调制DipAngleMeasuringSystemBasedonMEMSMaHong

2、lianZhengBaozhongWangWei(DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)AbstractItisintroducedforadipanglemeasuringsystembasedonMEMSelectronicdipanglesensorandul-tra-lowpowerconsumptionmicrocontrollerwithintherangeofcircumferenceundergravityreferencesystem

3、,andforamethodwhichusesMatlabtoanalysissineorcosinefunctionmodule.Bymappingthetwoaxles'relationshiptothesoleangularregion,theentirecircumferencemeasurementofanglehasrealized.Attheend,thesystemhardwarecompositionisdescribed.KeywordsCurvefittingTemperaturedri

4、ftingHeatchangingAdjustmentfactorPulsewidthmodulation角度值,原理如下:1引言我国建筑、机械等行业目前用于倾斜角测量的工具还主要是沿袭千年的水泡式水平尺,测量者仅凭肉眼目测,无法准确得到当前的角度值,这就给工业生产和建筑等行业留下了隐患。随着现代传感技术的飞速发展,笔者设计了基于图1一轴垂直,在0～360°范围内MEMS电子倾角传感器和低功耗单片机的数字液晶都有很好的分辨率**显示倾角测量系统,主要性能参数包括:测量0°到360°Ax=gsin(
)Ay=g

5、sin(
)范围内的绝对角度值(相对于水平线);在临界角(0°,其中:Ax表示重力加速度在X轴上的分量,Ay表示重90°,180°,270°)±30°内精确到0.1°,其他范围内精确力加速度在Y轴上的分量。
表示传感器Y轴与水平到0.2°;与PC双向通信;温度输出;自动关机;声音提线的夹角,
表示传感器X轴与水平线的夹角。示;显示保持。又:
+
=
/2Ay/Ax=tan(
)-1所以:
=tan(Ay/Ax)2工作原理根据Ax和Ay的符号,可以确定角度的象限空间,具体如下:-1MEMS电子倾角双轴传感器单轴

6、的测量范围是第一象限:Ax<0Ay>0
=-tan(Ay/Ax)-1±90°,通过双轴空间换算,转换成0°～360°范围内的第二象限:Ax>0Ay>0
=tan(Ay/Ax)+
/2186仪器仪表学报第26卷-1**第三象限:Ax>0Ay<0
=-tan(Ay/Ax)+
funy-49.8358=-19.49cos(2pix/360)-1第四象限:Ax<0Ay<0
=tan(Ay/Ax)+3
/2为了获得最高精度,精确的描述输出值与角度之***间的关系,即Ax=g[Asin(

+
)],利用了Mat-lab

7、的函数曲线拟合功能,对于传感器的两个轴的输出值分别采样,计算出精确的幅值、周期、相位角。单轴曲线拟合的方法:首先测量出圆周范围内单轴间隔1°或是5°的输出值,即脉宽调制信号(PWM)的占空比,得到361(间隔1°)或73(间隔5°)个值,利用Matlab强大的曲线拟合功能,求出精确的函数曲线。步骤示例如下:
x=[0∶5∶360];//单轴间隔5°73点
y=[30.30,30.37,30.62,31.00,31.52,32.20,33.00,33.92,34.98,36.14,37.36,38.74,40.

8、13,41.65,43.18,44.80,46.44,48.17,49.87,51.54,53.27,54.94,56.52,58.10,59.56,60.97,62.32,63.63,64.79,65.80,66.72,67.50,68.17,68.68,69.02,69.24,69.35,69.29,69.08,68.70,68.19,67.52,图2双轴角度曲线66.73,65.82,64.7