基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统的制作方法

本实用新型涉及一种角度测量系统，属于角度测量技术领域，具体涉及一种基于双轴倾角测量的平面倾角测量系统。

背景技术：

平面倾斜度测量是角度测量的重要应用方向。随着生产和科学的不断发展，平面的倾斜度测量越来越广泛地被应用于机械、光学、航空、航天和航海等各个领域。

目前，常用沿两个相互正交方向的倾斜角来定量描述平面倾斜度。然而，由于现有的倾斜仪的一个共同特点是只能测量一个方向的倾斜角，因此需要两两组合才能完整测量平面的倾斜度。由平面倾斜度的定量描述可知，需要在工装上保证两个倾斜仪相互之间正交，才能准确获取平面倾斜度，然而保证两个倾斜仪相互之间正交在精密测量中是非常难做到的。此外，现有的倾斜仪大多采用重力摆结构，这种结构对测量样品姿态有一定的要求，并且摆动结构达到平衡需要一定时间，从而限制了测量速度，难以满足实时、快速和自动化测量场合的要求。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型旨在提供一种基于高精度双轴倾角传感器SCA100T-D02(以下简称SCA100T)的平面倾角测量系统，根据倾角传感器的测量原理及其功能、特性，给出了双轴倾角的数学计算模型和温度补偿方法。由倾角传感器输出测量数据，单片机根据数学计算模型和温度补偿方法计算倾角数值，并经过PID滤波，在显示屏显示时间和倾角信息。

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，包括数据处理模块以及与所述数据处理模块分别相连的供电模块、数据测量模块、通信模块和人机交互模块，所述数据测量模块的测量数据输送至所述数据处理模块，所述数据处理模块根据当前数据进行温度补偿，并将最终结果通过所述通信模块传送至所述人机交互模块，所述供电模块为所述平面倾角测量系统供电。

更进一步地，所述人机交互模块包括按键和LCD屏，所述按键用于设置系统参数，所述LCD屏用于显示测量角度数据。

更进一步地，所述数据处理模块采用MSP430F169单片机。

更进一步地，还包括存储器，所述存储器为AT24C04存储器，所述存储器采用两线串行的总线与所述数据处理模块连接。

更进一步地，所述通信模块采用SIM900A芯片。

更进一步地，所述数据测量模块采用SCA100T双轴倾角传感器。

更进一步地，所述供电模块包括3.7V可充电锂电池、充电管理控制器MCP73831和肖特基二极管，所述充电管理控制器MCP73831与所述可充电锂电池连接，用于通过检测锂电池电压来判断当前充电阶段，从而控制充电电压和电流，所述肖特基二极管与所述充电管理控制器MCP73831连接，用于限制电流方向，防止所述充电管理控制器MCP73831对电池电压产生误判。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：本实用新型克服了传统倾角测量仪读数慢、精度低的问题，并实现自动化的实时测量，可以实现对物体平面倾角的监测。本系统的硬件电路采用PCB沉金工艺、LCD数字显示、锂电池充电管理电路等，具有体积小、可现太阳能供电、方便携带、性能稳定的优点，系统采用温度补偿、软件滤波提高了测量的准确度和稳定度，具有重要的现实意义和实用价值。

附图说明

图1为本实用新型的平面倾角测量原理图；

图2为本实用新型的系统结构框图；

图3为本实用新型的MSP430最小系统；

图4为本实用新型的SCA100T传感器电路；

图5为本实用新型的GSM通信电路；

图6为本实用新型的充电管理电路；

图7为本实用新型的EEPROM和时钟电路；

图8为本实用新型的LCD电路；

图9为本实用新型的PID控制系统原理图；

图10为本实用新型的PID算法流程图；

图11为本实用新型的主程序流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细描述。

实施例1

(1)数学计算模型

SCA100T是基于MEMS工艺的传感器，其角度测量的原理是将测量的加速度转化为倾角变化量。SCA100T的硅电容感应元件由3层硅片构成，形成立体结构，当发生倾斜时，中间质量片会倾向某一侧，从而使两侧的电容发生变化。并通过电压值可反映相应的加速度值，进而可计算角度值。

平面倾角测量原理如图1所示，图(a)为平面水平放置时，重力加速度矢量方向与Z轴重合，平面倾角为0°；图(b)为平面以X轴为转轴倾斜一定角度时，由于倾斜过程中，重力加速度矢量方向与Z轴存在一定夹角，即为平面倾斜角度，g表示重力加速度。

SCA100T采用数字测量时，由SPI输出11位数据格式的数字量，并且存储在SCA100T芯片的RDAX和RDAY数据寄存器中，数据范围是0～2048。输出数字量与倾斜角度的对应关系满足函数：

式1中，D_0°为基础数值，表示倾角为0°时的D₀数字输出量，取值为-1024LSB；S为芯片灵敏度常量，其值为819LSB/g。

平面以X、Y轴为转轴倾斜的测量原理和方法是一样的，并且适用于以X、Y轴为旋转轴同时旋转的情况，可由SCA100T芯片的SPI数据输出口输出测量数据D_ox、D_oy，进而分别计算出α_X和α_Y。

(2)温度补偿

因为环境温度的变化会造成芯片灵敏度S的偏移，故为提高测量精度，有必要进行温度补偿。SCA100T有一个自带的内在温度传感器，可以对工作环境温度T进行实时测量。与工作环境温度T对应的数据量R，可以通过SPI进行存取，是一个8bit的数据，其范围为(0～255)。工作环境温度T表示为式2：

由环境温度T补偿测量倾斜角度α，是通过修正芯片灵敏度S实现的。为了得到修正后的芯片灵敏度S′，先由二阶多项式拟合曲线方程计算灵敏度补偿参数S_c(见式3)。

S_c＝-0.00011T²+0.0022T+0.0408 (3)

再由灵敏度补偿参数S_c，计算补偿修正的芯片灵敏度S′，见式4：

因此，将S′代替式(1)中的S，即可实现温度补偿，得到更准确的倾斜角度α。

本实施例的系统结构框图如图2所示，包括以下几个部分：SCA100T高精度双轴倾角传感器模块，通信模块，按键、LCD屏模块，锂电池充电管理模块，主控芯片MSP430F169和AT24C04存储器。

传感器模块、通信模块、按键、LCD屏模块、锂电池充电管理模块和AT24C04存储器分别和MSP430单片机相连。单片机实时读出双轴倾角传感器模块检测的角度值，在角度变化时，SIM900A将最新角度信息发送至绑定用户端；按键、LCD屏模块分别用于设置系统参数和显示测量角度数据；锂电池充电管理模块用于储存太阳能板转换的电量，监测电池的电压、电流，防止过冲、过放。

系统采用TI公司生产的16位超低功耗微控制器MSP430F169为主控芯片，MSP430单片机最小系统如图3所示。

传感器模块采用SCA100T双轴倾角传感器，它是基于3D-MEMS的高精度双轴倾角传感器芯片，提供了水平测量仪表级别的性能。SCA100T-D02传感器具有±90°的量程，数字量输出灵敏度达到819LSB/g。MSP430F169通过SPI协议与SCA100T芯片进行串行通信，MSP430F169的P1.0～P1.3分别连接CLK、MISO、MOSI、CSB。其中，CLK输入时钟信号，CSB为低电平有效的片选信号，MISO和MOSI分别为数据输出端和控制信号输入端。其电路连接如图4所示。

当测量的倾角变化时，通信电路可以及时把测量的最新倾角数值发送到绑定用户端。通信电路采用GSM通信模块的SIM900A芯片，可以低功耗实现发送短信。SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，支持GPRS multi-slot class 10/class 8(可选)和GPRS，编码格式CS-1，CS-2，CS-3and CS-4。SIM900A的工作电压为3.1～4.6V，在发送短信的那一瞬间，电流会达到2A，为了稳压采用LD29300P2M稳压芯片，其输出电压为3.84V。GSM电路如图5所示，RXD和TXD分别连接第一单片机的P3.4和P3.5，分别作为控制器与GSM串口通信的收发口。

系统采用3.7V锂电池供电，并设计充电管理电路如图6所示。锂电池充电过程一般分为涓流充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段。线性充电管理控制器MCP73831可通过检测锂电池电压来判断当前充电阶段，从而控制充电电压和电流，防止过冲过放。图中电阻R10的阻值可调控充电电流和电压的大小，当R10为2KΩ时，充电电流约为500mA，电压约为4.2V。另外系统要求在电池充电过程中，数字水平仪仍然可以使用。所以通过肖特基二极管D2和D3限制电流方向，防止MCP73831对电池电压产生误判。充电时，D2导通，D3截止，系统由MiniUSB供电。

采用LDO芯片RT9193对锂电池进行稳压至3.3V，对系统各数字芯片进行供电。RT9193的输入输出压差仅与负载电流和环境温度有关。在室温(25℃)，负载电流为300mA的情况下，压差仅为220mV。22μF的旁路电容C10可减少稳压输出的纹波噪声。为了使LDO处于连续工作状态，系统将EN引脚连接到输入电压引脚上。

EEPROM电路如图7(a)所示。AT24C04是Atmel公司的4KB电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，D1和D2分别与P21和P23连接。

时钟电路如图7(b)所示。DS1302是美国DALLAS公司生产的一款具有闰年自动补偿功能的时钟芯片。在系统初始化时，对DS1302写入基准时间，便可向后计时。DS1302采用串行数据传输，SCLK控制线、IO口线、REST口线分别与MSP430F169的P65、P66、P67相连接。

12864液晶屏是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块。LCD显示屏用来实时显示X、Y轴转向的倾角信息。其中RS、RW、EC分别为寄存器选择、读写信号、使能信号，为与其他模块共用的管脚，分别与单片机P55、P56、P57相连接。AD0～AD7为并行数据信号线，分别与单片机P40～P47相连接，PSB和/RST分别为并/串选择和液晶复位管脚，分别与单片机P50和P51相连。LCD电路如图8所示。

在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点。对于采集模拟信号，模拟PID控制系统原理图如图9所示。

PID控制系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图中，r(t)是系统输入，y(t)是系统实际输出值，e(t)为输入值与实际输出值构成的偏差，e(t)＝r(t)-y(t)，e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。所以模拟PID控制器的控制方式可表示为式5：

式中，u(t)是调节器的输出信号；Kp是比例系数；TI是积分时间；e(t)是调节器的偏差信号，它等于给定值与测量值之差；TD是微分时间；Kp/TI是积分系数；Kp/TD是微分系数。

由于计算机控制方式为采样控制，它只能根据采样的偏差计算控制量，而不能象模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制，所以要对PID控制算法离散化。不能直接使用公式(8)中的积分和微分项，必须先对这两项进行离散化处理。离散化处理的具体方法为：设采样周期为T，采样序号为K，则离散采样时间KT对应着连续时间t，用求和的形式代替积分项，用增量的形式代替微分项，可近似变换为式6：

式6中，t≈KT，k＝(1，2，3…)，可得式7：

式7中，Kp、Ki、Kd经过实验测试取最优经验值分别为0.4、0.2、0.15。PID算法流程如图10所示，通过PID算法滤波，能够得到稳定、可靠的测量数据。

主程序流程如图11所示，系统首先初始化时钟，选择8MHz晶振作为主时钟源。对MEMS倾角传感器SCA100T等作寄存器配置。然后实时采集传感器的输出，并根据附带温度补偿模型计算出当前倾角，同时判断倾角是否变化，如果变化则向绑定用户发送时间和最新倾角信息。

为验证系统的稳定度和准确度，在室内随机环境温度下，倾角测量值与实际值进行了对比(见表1)。由表1实验数据可知，倾角在0°～90°范围内，本实用新型的平面倾角测量系统的测量误差小1°，具有较高的准确度。

表1实验测试结果(单位°)

本实施例的基于双轴倾角传感器平面倾角测量系统，克服了传统倾角测量仪读数慢、精度低的问题，并实现自动化的实时测量，可以实现对物体平面倾角的监测。本系统的硬件电路采用PCB沉金工艺、LCD数字显示、锂电池充电管理电路等，具有体积小、可现太阳能供电、方便携带、性能稳定。系统采用温度补偿、软件滤波提高了测量的准确度和稳定度，具有重要的现实意义和实用价值。