文 献 综 述

一、研究的目的和意义

如今，一些测量行业在从事作业时仍然采用传统的水泡式水平测量，这种方式成本本低但存在较大的测量误差和应用范围的局限，而大型路基建设所用的专业测量设备需要较高的成本投入，不能满足大多数从业者的需求^[1]。

好的传感器设计能克服上述设备的弊端，在保证低成本和较高测量精度的同时，能扩大设备的应用范围，比如需要克服加速度的弯曲铁轨的倾角测量，飞行设备陀螺仪设计^[2]。

二、国内外的研究现状

大角度测量仪器通常称为倾角传感器。随着市场需求和科技的发展，人们对工程、机械、航空、航海设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求。倾角传感器是测量关于某一基准面的倾斜角装置^[3]。目前，市场上已有单轴、双轴、三轴的倾角传感器， 但大多都价格昂贵或者体积较大，而且产品规格不全， 且以单轴倾角传感器居多^[4]。随着对测量要求的不断提高，需要将倾角仪以便携和微型化以满足市场的需要。与传统的微电子技术相比，MEMS 技术具有以下几个比较明显的特点^[5]:微型化、批量生产和集成化。MEMS 技术经过数十年的发展，已取得了很大的进展。在微传感器方面，除较成熟的压力和加速度传感器之外，在测量力、角速度、声、光、气以及化学等领域也已经取得了成功。在微系统方面，也有许多成功的例子，如 AD 公司的力平衡式角速度仪(ADXL50)。利用 MEMS 技术制成的传感器符合倾角传感器的发展趋势^[6]。

通过维普中文科技期刊全文数据库和百度等网络查询，查阅了大量的倾角传感器资料。就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量输出。就网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，如德国的西门子公司、美国的Atmos工程公司以及美国数字公司^[7]。就国外产品种类而言，其数量也较少，但从数字化、 小型化、精度、重量及线性度等指标而言, 具有较高的实用价值^[8]。芬兰 VTI 科技是世界上最好的利用加速度原理、通过 MEMS 技术提供高精度倾斜测量产品的厂家。其开发研制的基于 3D-MEMS 传感器技术的 SCAl03T 系列是目前世界上精度最高，抗震性最好的加速度倾角传感器， 该传感器采用了高度集成电子和成熟的 MEMS 传感器技术，是为高精度倾角测量而设计的^[9]。

三、系统基本组成及工作原理

1、传感器工作原理

图1 MMA7455三轴加速度传感器与倾角的关系

MMA7455不直接测量倾斜角度，而是通过测量静止状态下 X、Y、Z 三轴的加速度利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z 三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度的夹角，从而得出系统倾角。重力加速度在三轴的分量与倾角关系如图1所示， 由此可推导出倾角解算公式为^[10]：

) (1)

) (2)

) (3)

其中，Ax、Ay、Az#8212;#8212;重力加速度在x,y,z三轴上的加速度。根据得到的三个倾角值，即可得到物体在空间转动的角度。

2、系统整体框图

图2 系统整体框图

如图2所示，倾角仪系统分为数据采集模块、主控模块、显示模块和串口模块这4部分。信息采集模块检测物体的重力和运动方向，然后输出检测信号。主控模块对传输过来的数字信号进行均值量化，再根据程序倾角公式计算出测量物体的角度。主控模块通过串口输出角度值数据，LCD显示测量值。同时，主控模块通过串口将数据传输到PC上显示^[11]。

3、各模块分析

（1）主控模块

STM32是一款低功耗和高性能的微控制器。STM32的小型微控制器包含多达12通道的DMA单元。每个通道可以用来传输8/16/32位数据到任何内存位置的外设寄存器,或者从任何内存位置的外设寄存器接收数据^[12]。

STM32负责对从传感器接收到的测量数据进行处理，传感器通过I²C总线和STM32连接。接收到的测量信号会暂时存储在FLASH数据存储模块中，然后内置的STM32处理器内核能够对数据信号进行角度运算得到测量物体的角度值并通过LCD菜单界面显示。若要将数据显示在PC机上，则需要通过STM32的串口连接到PC上^[13]。

图3 STM32主控模块结构图

（2）数据采集模块

MMA7455是一款数字输出、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、检测0g（各轴不运动或不受重力作用下的状态）以及快速运动检测等功能^[14]。

MMA7455用于检测物体运动和方向的传感器，根据物体运动方向或重力改变，输出信号的电压值随之改变，输出检测信号数据然后由后续模块的处理器进行角度计算^[15]。

图4 MMA7455模块电路原理图

（3）显示模块

该模块采用LCD显示器件进行显示。LCD液晶屏就是由液晶显示点组成多行列的阵列，每个点对应一位二进制数，1表示亮，0表示灭。存储这些点阵信息的RAM称为显示数据存储器^[16]。要显示某个图形或汉字就是将相应的点阵信息写入到相应的存储单元中^[17]。

（4）串口单元

串口单元分为两部分的连接，一个是MMA7455传感器和STM32的连接，另一个是STM32和PC的连接。MMA7455采用集成模块，模块中的电源线，SDA，SCL端口连接到开发板上的I²C总线上，但是SCL必须加上拉电阻^[18]。EEPROM也使用I²C总线。然后，可以用RS232串口线将STM32和PC机相连^[19]。

STM32的串口外设分为3部分。波特率控制部分，USARTDIV对串口外设的时钟源进行分频，然后时钟源作为发送器时钟及接收器时钟，控制发送和接收的时序；收发控制部分，这部分有三个控制寄存器（CR1、CR2和CR3）及一个状态寄存器（SR）^[20]。通过向寄存器写入各种控制参数，来控制发送和接收；数据转移寄存器，当需要发送数据时，内核或DMA外设把数据从内存写入到发送数据寄存器TDR后，发送控制器将适时地自动把数据从TDR加载到发送移位寄存器，然后通过串口线Tx把数据一位一位地发出去^[21]。

图5 STM32的I²C-EEPROM硬件原理图

图6 MMA7455在I²C通讯模式下与控制器的接线示意图

四、总结

基于加速度传感器的倾角仪具有具有低成本、较高测量精度、便于携带和使用方便等特点，在工程测量中具有很高的应用前景。基于现有的行业测量技术，倾角仪的测量已经实现了微型化和MEMS数字控制，并且应用的范围拓展到了医学，大气环境等领域，相信在以后高精度和微型化的倾角仪将更加普及。

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