双轴倾角传感器系统及其变灵敏度检测方法

专利名称：双轴倾角传感器系统及其变灵敏度检测方法
技术领域：
本发明涉及测量及其信号处理技术，特别是涉及到了一种如何利用微处理器，数
字电位器，加速度传感器组成的闭环系统，实现对角度的变灵敏度处理方法，提高了该传感 器的测量范围。
背景技术：
角度的测量在很多实际工程之中有着广泛的应用，例如在地质钻孔测绘和工程 测量，堤坝位移和桥梁变形控制，地震地壳变化监控，机器安装和电子平衡，飞行器控制系 统，武装平台控制系统以及各种水平测量等方面，都有这类传感器的广泛应用，因此对角度 的测量有着比较高的要求。既希望测量的精度越高越好，又希望测量的范围能够越大越好， 当然测量的维数也是越多越好。传统的倾角传感器有着很多不同的实现方法，例如气摆式 倾角传感器，液摆式倾角传感器，固摆式倾角传感器等。测量原理的不同，测量的精度和范 围也不一样。传统的倾角传感器普遍维数比较单一，并且存在体积大，操作繁琐，智能性低 等缺点。随着科技的飞速发展，技术的不断提高，尤其是MEMS技术的成功采用及其微传感 器的广泛应用，很多新型的智能传感器已经不断出现。伴随着这些智能传感器的出现，一些 在传统传感器体积大，操作不便等方面的问题也得到了很好地解决。基于MEMS技术的加速 度传感器制作的双轴倾角传感器得到了广泛的开发和使用，但是这种利用重力加速度原理 的倾角传感器，由于传感器的输入和输出之间表现为严重的非线性，尤其是倾角比较大条 件测量时，传感器的灵敏度已经接近为零，由于灵敏度的下降，造成传感器后续的调理电路 或处理电路无法分辨角度的变化，从而使其测量范围受到很大的制约。目前，国内外相关领 域在利用MEMS加速度传感器测量倾角方面，已经取得了很大的突破，例如在国内的专利检 索中上海理工大学在2007年7月20日提出的"物体倾角动态的测量方法及其装置"(专利 申请号101101202A)，就实现了用MEMS类的传感器对物体的倾角进行动态测量，并且说到 测量的范围为±45度。但是测量的角度范围一直受到限制，如今国内外能够做到的最大范 围为±75度。 针对此问题，本发明提出了一种变灵敏度信号处理方法，在测量倾角较大时，利用 数字电位器进行有效的反馈，改变脉冲宽度调整电路的脉宽，提高传感器的灵敏度，从而实 现传感器灵敏度在不同角度情况下的自动调节，不但扩大了传感器的测量角度范围，使该 传感器的测量范围得到提高，而且具有开发成本低、硬件电路简单等特点，扩大了传感器的 应用领域。

发明内容
本发明的内容目的在于针对已有的技术的不足，提供了一种双轴倾角传感器系统 机器变灵敏度处理方法。该方法利用数字电位器分段改变其传感器灵敏度的方法，使得倾 角传感器的测量测量范围得到提高。 为达到上述的目的，本发明的构思是利用加速度传感器进行倾角测量的基本原理是利用加速度传感器可以感受重力加速度(lg)，当传感器与重力场有一定的倾角时， 由于加速度为矢量，此时测得的加速度显然与倾角的大小有关，从而利用加速度传感器即
可实现倾角的测量。由于倾角传感器的输出与被测倾角之间为cos e的关系，显然，被测倾
角越大，传感器的灵敏度越低，因此传感器的测量范围受到明显的制约。 为了实现解决这个问题，本发明构建了一个新型的倾角传感器的系统(如图1所 示)，主要包括微处理器，双轴加速度传感器，数字电位器等，它们构成一个闭环的倾角测量 系统，可以实现双轴倾角测量。其中加速度传感器实现重力加速度的感测，进而实现与重力 加速度有一定角度的倾角测量；微处理器的作用一方面是加速度传感器脉宽输出信号进行 处理，另一方面是与数字电位器有机结合，对数字电位器的阻值进行控制，当被测倾角较大 时，控制数字电位器输出较大的阻值，从而实现输出脉冲宽度的改变，达到提高传感器灵敏 度的目的，最终实现变灵敏度测量，提高传感器的测量范围。 由于传感器灵敏度的变化，虽然可以扩大在单一灵敏度下，难以实现的测量范围， 但会导致多值问题的出现，即同样一个输出值情况下，会对应不同的角度，如图2，在同一个 输出(如0.6的条件下)，会出现的h，^和Y3这三个不相同的角度值。为了避免多值 问题的出现，软件上采用智能判断与处理的方法，具体详见流程图3。在对角度进行测量的 时候，初始化后系统的数字电位器工作在R1，然后对输出进行测量。当判断到不需要调整系
统的灵敏度的时候，系统就不对数字电位器进行改变。此时测量的角度为o到e1()当判断
到系统的输出灵敏度过低，需要对数字电位器进行调整的时候，即已经确定好了系统工作 在图2的虚线段(1)。先在数字电位器为Rl的情况下，完成输出的一次测量，确定此时测量
的段，以e工到92为例，即图2中所示的虚线段(l)处的e工到e2。这样就确定了高角度 下的工作的范围，剔除角度小于e^p大于92的多值影响区间。进而调整数字电位器使得
其工作在R1+R2。在对输出进行e工到92段的二次测量。若是调整后的数字电位器依旧
不能实现测量的唯一性，还可以通过三次调整，四次调整数字电位器的阻值，多次反复进行 测量，已达到测量唯一的目的。 当微处理器发现测量已经完成，再将数字电位器进行复位到初始值，以等待下次 测量，使得下次测量数字电位器开始测量依旧工作在R1。很好的通过了一次测量确定测 量范围，多次测量确定具体值的方法，解决了在测量过程中，同一输出对应多角度的多值问 题。实现测量的唯一性。 根据上述发明构思，本发明采用下述技术法案 —种双轴倾角传感器系统，包括一个电源电路，将5V的直流电压转换为3. 3V的直 流电压，为双轴倾角传感器各组成器件提供工作电源，其特征在于 有一个双轴加速度传感器，感测x轴和y轴的倾角变化，通过脉宽输出送到一个微 处理器； 有一个数字电位器，与所述微处理器之间的通信实现该数字电位器的调节，该数 字电位器通过和所述双轴加速度传感器的连接和实现双轴加速度传感器的脉宽控制；
所述微处理器，处理所述双轴加速度传感器的脉宽信号，控制所述数字电位器，实 现高角度条件的数字电位器控制，提高大倾角测量灵敏度的调高； 有一个上位机，实现和所述微处理器之间的通信，方便监视所述数字电位器的阻 值，角度测量值，以便及时排除故障。
—种双轴倾角传感器系统检测方法，采用上述系统进行检测，其特征在于检测步 骤如下 1)系统初始化，包括微处理器和上位机之间通信初始化，微处理器与数字电位器
之间通信初始化，微处理器的定时器/计数器初始化，中断初始化； 2)微处理器通过实现与数字电位器之间的握手连接； 3)微处理器通过当前的系统状态，实现对数字电位器的调节； 4)微处理器对双轴加速度传感器的输出信号进行采样，并且根据x轴或y轴的采 样信号，分别进行进一步的处理； 5)微处理器分别对双轴加速度传感器的x轴和y轴的信号进行多值问题的处理； 6)微处理器对多值问题处理后的结果，分别计算x轴和y轴的角度值； 7)微处理器对所得的x轴和y轴的角度值，送上位机进行监控。并且返回至步骤
3)，调节电位器已进行下一次的角度测量操作。 上述步骤5)中多值问题的处理方法的具体步骤为 [1]微处理器根据采样脉宽的计数值，智能判断数字电位器的阻值大小是否满足 灵敏度的要求，若满足则转至步骤，若不满足，则转至步骤[2]; [2]微处理器根据采样脉宽得到的计数值，对数字电位器进行再次调节；
[3]微处理器再次采样双轴加速度传感器的输出x轴或是y轴的脉宽信号；
[4]微处理器再次对采样得到的脉宽计数值，智能判断数字电位器的阻值大小是 否满足灵敏度的要求，若满足则转至步骤[5]，若不满足，则转至步骤2)，进行多次步骤[2] 到步骤[4]的操作; [5]微处理器对采样得到的脉宽计数值，进行进一步的处理。 本发明与现有的技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的优 点 采用由微处理器，加速度传感器，数字电位器等所构成的倾角闭环测量系统，应用 本发明的检测方法，就可实现角度分段变灵敏度的较宽范围测量。另外本发明的倾角传感 器系统还具有体积小、功耗低等特点。


图1是双轴倾角传感器闭环系统结构框图。
图2是输出脉宽归一化后分段变灵敏度系统特性图。
图3是双轴倾角传感器系统变灵敏度检测主程序流程。
图4是消除多值问题系统工作流程图。 图5是系统中由数字电位器，单片机，加速度传感器构成的闭环系统原理图。
具体实施方法 本发明的优选实施例结合

如下 实施例一参见图l，本双轴倾角传感器系统，包括一个电源电路，将5V的直 流电压转换为3. 3V的直流电压，为双轴倾角传感器各组成器件提供工作电源，有一个双 轴加速度传感器ADXL202，感测x轴和y轴的倾角变化，通过脉宽输出送到一个微处理器 ATMEGA128L ;
有一个数字电位器AD5342,与所述微处理器ATMEGA128L之间的通信实现该数字 电位器AD5242的调节，该数字电位器AD5242通过和所述双轴加速度传感器ADXL202的连 接和实现双轴加速度传感器的脉宽控制； 所述微处理器ATMEGA128L，处理所述双轴加速度传感器ADXL202的脉宽信号，控 制所述数字电位器AD5242，实现高角度条件的数字电位器AD5242控制，提高大倾角测量灵 敏度的调高； 有一个上位机，实现和所述微处理器ATMEGA128L之间的通信，方便监视所述数字 电位器AD5242的阻值，角度测量值，以便及时排除故障。 实施例二 参见图1和图4，本实施例与实施例一相同，特殊之处是本实施例 硬件系统是由微处理器ATMEGA128L，加速度传感器ADXL202L，数字电位器AD5242，电源 AMS-1117等共同组成的。加速度传感器ADXL202L的输出作为微处理器ATMEGA128L的输 入，数字电位器AD5242通过和微处理器ATMEGA128L的通信实现对加速度传感器ADXL202L 的脉宽信号的调整。实现灵敏度的调整。通过这样的方式加速度传感器ADXL202L的x轴 和y轴的输出都实现了闭环。也就是所说的双轴闭环。 在整个硬件平台的基础之上，对需要对加速度传感器ADXL202L产生的数字信号 进行智能处理。加速度传感器ADXL202L的脉宽输出是作为整个系统的重要的控制对象，微 处理器ATMEGA128L通过对不同的x轴和y轴的脉宽高电平的计数值的读取，来判断是否需 要对数字电位器AD5242进行调整。当判断到的计数值小于e工时(如图2)，系统的灵敏度 比较理想，无需调整数字电位器AD5242。微处理器ATMEGA128L就可以直接根据计数值的大 小建立起模型实现角度的测量。当判断到的计数值大于等于e工时(如图2)，系统的灵敏度 极具下降，这时，需要采取扩大数字电位器AD5242的阻值的方法来提高系统的灵敏度，在 对加速度传感器ADXL202L的x轴y轴的脉宽信号进行二次读取，进而微处理器ATMEGA128L 建立另外的x轴y轴的模型，实现角度的测量。使得系统能够实现广角度高灵敏度的角度 实施例三本倾角传感器对倾角的测量方法，参见图3，图4，具体实现的步骤；
1)如图3流程1 ，微处理器ATMEGA128L进行初始化，包括初始化I/O 口 ，定时器/ 计数器，串口，全局中断，捕捉中断，溢出中断，以及12C。 2)如图3流程2，微处理器ATMEGA128L与数字电位器AD5242通过I2C通信，实现
握手连接。 3)如图3流程3，微处理器ATMEGA128L通过I2C总线控制，使得数字电位器AD5242 其工作在R1。 4)如图3流程4，微处理器ATMEGA128L对双轴加速度传感器ADXL202L的输出信 号进行采样，并且根据x轴或y轴的采样信号，转至图4流程，进行下一步的多值问题的处 理； 5)如图4流程1，微处理器ATMEGA128L根据采样脉宽的计数值，智能判断数字电 位器AD5242的阻值大小是否满足灵敏度的要求，若满足则转至图4流程2，若不满足，则转 至图4流程3 ; 6)如图4流程3，微处理器ATMEGA128L根据采样脉宽得到的计数值，对数字电位 器AD5242进行再次调节，使得其工作在一个新的合适的阻值，实现变灵敏度操作；
7)如图4流程4，微处理器ATMEGA128L再次采样双轴加速度传感器ADXL202L的 输出x轴或是y轴的脉宽信号； 8)如图4流程5，微处理器ATMEGA128L再次对采样得到的脉宽计数值，智能判断 数字电位器的阻值大小是否满足灵敏度的要求，若满足则转至图4流程2，若不满足，则转 至图4流程3，进行多次，图4流程3到流程5的多值问题处理操作； 9)如图4流程2，微处理器ATMEGA128L对采样得到的脉宽计数值进行存储，并作 进行进一步的处理。 10)如图3流程6，微处理器ATMEGA128L利用经过多值问题处理后存储的x轴和 y轴的脉宽计数值，分别计算x轴和y轴的角度值； 11)如图3流程7，微处理器ATMEGA128L对计算所得的x轴和y轴的角度值，送上 位机进行显示。并且返回至图3流程2，调节数字电位器AD5242已进行下一次的角度测量 操作。 通过这样多次反复的操作，就能实现多值问题的处理。实现灵敏度的合理变化，解 决了在测量过程中，同一输出对应多角度的多值问题。实现测量的唯一性。
权利要求
一种双轴倾角传感器系统，包括一个电源电路(4)，将5V的直流电压转换为3.3V的直流电压，为双轴倾角传感器各组成器件提供工作电源，其特征在于有一个双轴加速度传感器(2)，感测x轴和y轴的倾角变化，通过脉宽输出送到一个微处理器(1)；有一个数字电位器(3)，与所述微处理器(1)之间的通信实现该数字电位器(3)的调节，该数字电位器(3)通过和所述双轴加速度传感器(2)的连接和实现双轴加速度传感器(2)的脉宽控制；所述微处理器(1)，处理所述双轴加速度传感器(2)的脉宽信号，控制所述数字电位器(3)，实现高角度条件的数字电位器(3)控制，提高大倾角测量灵敏度的调高；有一个上位机(5)，实现和所述微处理器(1)之间的通信，方便监视所述数字电位器(3)的阻值，角度测量值，以便及时排除故障。
2. —种双轴倾角传感器系统变灵敏度检测方法，采用权利要求1所述的双轴倾角传感器系统进行检测，其特征在于，检测步骤如下a. 系统初始化，包括微处理器(1)和上位机(5)之间通信初始化，微处理器(1)与数字 电位器(3)之间通信初始化，微处理器(1)的定时器/计数器初始化，中断初始化；b. 微处理器(1)通过实现与数字电位器(3)之间的握手连接；C.微处理器(1)通过当前的系统状态，实现对数字电位器(3)的调节；d. 微处理器(1)对双轴加速度传感器(2)的输出信号进行采样，并且根据x轴或y轴 的采样信号，分别进行进一步的处理；e. 5)微处理器(1)分别对双轴加速度传感器(2)的x轴和y轴的信号进行多值问题的 处理；f. 6)微处理器(1)对多值问题处理后的结果，分别计算x轴和y轴的角度值；g. 7)微处理器(1)对所得的x轴和y轴的角度值，送上位机进行监控。并且返回至步 骤3)，调节电位器已进行下一次的角度测量操作。
3. 根据权利要求2所述的双轴倾角传感器系统变灵敏度检测方法，其特征在于所述步 骤5)中多值问题处理的具体步骤为a. 微处理器(1)根据采样脉宽的计数值，智能判断数字电位器(3)的阻值大小是否满 足灵敏度的要求，若满足则转至步骤[5]，若不满足，则转至步骤[2];b. 微处理器(1)根据采样脉宽得到的计数值，对数字电位器进行再次调节；c. 微处理器(1)再次采样双轴加速度传感器(2)的输出x轴或是y轴的脉宽信号；d. 微处理器(1)再次对采样得到的脉宽计数值，智能判断数字电位器(3)的阻值大小 是否满足灵敏度的要求，若满足则转至步骤[5]，若不满足，则转至步骤2)，进行多次步骤 [2]到步骤[4]的操作;e. 微处理器(1)对采样得到的脉宽计数值，进行进一步的处理。
全文摘要
本发明公开一种双轴倾角传感器系统及其变灵敏度检测方法。本系统由电源电路，双轴倾角传感器，微处理器和上位机构成。本方法是利用双轴加速度传感器、微处理器、数字电位器等构建的双轴倾角传感器闭环测量系统，实现倾角的测量；采用分段变灵敏度处理方法，对大倾角测量，通过反馈方式自动调整数字电位器的阻值，进行脉冲宽度的自动调整，提高测量灵敏度，从而实现大倾角条件下的角度测量；由于灵敏度的变化会产生测量的多值问题，采用智能判断与处理方法，解决在变灵敏度测量时出现的多值问题，实现测量的唯一性，使倾角测量范围得到调高。本发明的双轴倾角传感器系统体积小，功耗低。
文档编号G01C9/00GK101706272SQ200910198200
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者付敬奇, 苏伟 申请人:上海大学