基于mems重力检测的数字水平仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种检测系统，属于自动检测技术领域，尤其涉及一种基于MEMS 重力检测的数字水平仪。
【背景技术】
[0002] 数字水平仪是用于测量物体相对水平面倾斜角度的仪器，由传统的气泡水准仪发 展而来。在家具及汽车制造行业、高楼桥梁建筑行业、生物医学和航空航天等行业，往往都 需要检查各种机械设备的不直度、物件相对位置的水平度。这些都需要对水平倾角进行准 确的测量。国内传统的气泡水准仪是通过加热玻璃管内的酒精乙醚溶液，再经过冷却形成 水准气泡，直接通过人眼观察气泡是否处于玻璃管中央位置来进行调平判断。因此，它既不 能定量显示倾斜角度值，又费时费力。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的是提供一种基于MEMS重力检测技术的数字水平仪，克服传统 气泡水准仪读数慢、精度低的问题。本实用新型的硬件装置采用PCB沉金工艺、OLED数字 显示、锂电池充电管理电路等，具有体积小、可现场充电、方便携带、性能稳定等特点。测量 结果经过软件滤波提高准确度，可以实时存储数据及时间，提高监测效率，具有一定的现实 意义和实用价值。
[0004] 本实用新型提供了如下的技术方案：
[0005] -种基于MEMS重力检测的数字水平仪，包括：数字水平仪本体，所述数字水平仪 本体的一端设有旋转接口，所述旋转接口的一端设有旋转锁紧螺栓；所述数字水平仪本体 的一侧设有上接触面，另一侧设有下接触面；所述数字水平仪本体上设有显示屏、按键、电 池槽，所述数字水平仪本体的一侧还吸附有强磁铁。
[0006] 所述旋转接口为圆形旋转接口。
[0007] 所述显示屏为OLED显示屏。
[0008] 所述按键和OLED显示屏嵌入在所述数字水平仪本体的中间位置。
[0009] 所述上接触面和下接触面相互平行。
[0010] 用户只需将上接触面或者下接触面的一面紧贴待测平面即可测得倾角值，若待测 平面为金属面，则可通过吸附强磁直接贴上去。所述旋转接口，可通过所述旋转螺栓连接另 一个相同的手持测量杆，构成夹角臂状，两臂读数相减即可得到夹角读数。本实用新型有着 方便手持、可吸附金属面和可拓展夹角测量的特点。
[0011] 本实用新型的有益效果是：以超低功耗单片机为核心，通过MEMS三轴加速度传感 器，实时获取静态放置时重力加速度在空间三轴上的分量，从而计算出物体相对水平面的 倾斜角度。由于MEMS传感器的输出会受到温度的影响，所以系统通过实时温度监测，根据 温度经验偏差曲线进行软件温度补偿。另外，系统通过3. 7V锂电池供电，并设计了充电管 理电路；通过低功耗OLED显示角度（弧度、斜率），当前环境温度以及系统时间。鉴于样本 记录的需要，系统通过电可擦除存储器AT24C04可对一组测量样本进行记录且掉电保存。 与传统的气泡水准仪相比，本实用新型具有检测速度快、精度高、可充电和附加功能多等特 点。
【附图说明】
[0012] 附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用 新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
[0013] 图1是本实用新型硬件电路结构示意图；
[0014] 图2是本实用新型二维倾角图；
[0015] 图3是本实用新型三维倾角图；
[0016] 图4是本实用新型MEMS传感器示意图；
[0017] 图5是本实用新型灵敏度-温度关系图；
[0018] 图6是本实用新型温度测量电路示意图；
[0019] 图7是本实用新型充电管理电路示意图；
[0020] 图8是本实用新型时钟芯片示意图；
[0021] 图9是本实用新型EEPROM示意图；
[0022] 图10是本实用新型主程序流程图；
[0023] 图11是本实用新型中断流程图；
[0024] 图12是本实用新型系统装置示意图。
【具体实施方式】
[0025] 如图1-12所示，本实用新型公开一种基于MEMS重力检测的数字水平仪，包括：数 字水平仪本体，数字水平仪本体的一端设有旋转接口 6,旋转接口 6的一端设有旋转锁紧螺 栓5 ;数字水平仪本体的一侧设有上接触面3,另一侧设有下接触面4 ;数字水平仪本体上设 有显示屏2、按键7、电池槽1，数字水平仪本体的一侧还吸附有强磁铁8。
[0026] 在本实施例中，旋转接口 6为圆形旋转接口。显示屏2为OLED显示屏。按键7和 OLED显示屏嵌入在数字水平仪本体的中间位置。
[0027] 上接触面3和下接触面4相互平行。
[0028] 如图2,当加速传感器静止放置时，会受到竖直方向上重力的作用。而当传感器在 XOY平面上倾斜时，其X轴和Y轴方向分别会受到g · sin α和g · cos α的分量，g表示重 力加速度，α表示水平倾角。则可根据式（1)，用双轴加速度测量物体在XOY平面上的倾斜 角度，Ax, out和Ay, out表示传感器输出的X、Y轴重力加速度分量。但当传感器在空间倾 斜的时候，很多情况下不能保证完全倾斜在XOY平面上，一些重力分量会落在Z轴上，这样 就无法使用双轴加速度进行测量了。
[0030] 针对双轴加速度在测量上的局限性，本系统考虑使用三轴加速度传感器。如图3 所示，传感器在空间上的Χ、γ和Z轴都会受到重力分量的作用。引入空间Z轴后，用球面坐 标（Ρ，θ，Φ)来代替空间直角坐标（X，y，Z)来表征各轴上的重力加速度分量与空间角之 间的关系，根据立体几何关系可得式（2)、（3)和（4)。因此，用三轴加速度测量物体相对空 间水平面的倾斜角度公式就需要推广为式（5)。
[0035] ADI公司生产的超低功耗三轴加速度传感器ADXL345,其在工作模式下电流为 23 μ A，在待机模式下功耗仅为0. 1 μ A。搭载32位FIFO,在FIFO模式下，空间X，Y，Z轴的 测量数据均存储在FIFO中，可将主处理器的负荷降至最低。可选量程有±2g，±4g，±8g 和±16g，分辨率为10至13位。技能测量运动或冲击过程导致的动态加速度，也能测量静 止物体的静态加速度。本系统选择±2g量程，10位分辨率，故传感器的三轴灵敏度理论值 为256LSB/g。系统主控芯片通过IIC总线协议与ADXL345串行通信，其电路连接图如图4 所示。
[0036] 虽然MEMS传感器的温度性能很好，但鉴于PCB工艺等众多因素的影响，温度变化 时，ADXL345不可避免地会存在Og偏移，整体测量输出也会有微小的变化，在实验室控温条 件下，分别测量重力加速度全载到空间三轴上时，传感器X，Y，Z轴各自的输出，表1为样本 数据。通过MATLAB将样本数据进行拟合如图5,得到三轴灵敏度的温度修正函数为式（6)， 倾角计算公式（5)可进一步修正为带温度补偿的式（7)，Dxyz, out为三轴各自输出的数字 量，Axyz，out为三轴各自测得的加速度分量。
[0037] 表1 T-LSB/g 样本值
[0041] 基于温度传感器DS18B20的温度测量电路，如图6所示。DS18B20具有独特的一线 接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用，无需外部元件，可用数 据总线供电，电压范围为3. OV至5. 5V无需备用电源测量温度范围为-55°