CN101762266B

CN101762266B - 二维数字倾角传感器

Info

Publication number: CN101762266B
Application number: CN2009102514920A
Authority: CN
Inventors: 梁华为; 王芳成; 梅涛; 黄健; 郜文; 黄辛超
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: CN101762266A

Abstract

本发明公开了一种二维数字倾角传感器，其特征是包括一X轴向非线性模拟输出倾角传感器，设置在XOZ平面中；具有两路倾角输出信号，两路倾角输出信号之间为90度相位差；一Y轴向非线性模拟输出倾角传感器，设置在YOZ平面中；具有两路倾角输出信号，两路倾角输出信号之间为90度相位差；一数据采集和接口控制单片机，一电源模块，一键盘接口模块，一显示接口模块，以及一总线输出接口模块。本发明能够同时测量两个方向360度范围内倾角、分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强，并以数字信号输出；其多种总线模式输出的数字输出可以与其它数字设备结合，组合成一个功能更加强大的仪器。

Description

二维数字倾角传感器

技术领域

本发明涉及传感器，尤其是一种二维数字倾角传感器。用于在建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿、地质勘探、卫星、导弹、坦克、火炮、飞机、汽车、舰船、机器人的陆地和水下作业等各种军事及民用领域中进行二维倾角的测量。

背景技术

倾角传感器是一种用于姿态监测和控制的传感器，在建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿、地质勘探、卫星、导弹、坦克、火炮、飞机、汽车、舰船、机器人的陆地和水下作业等各种军事及民用领域中有着极为广泛的应用。

传统的倾角传感器有水泡式、液体摆式、电容式、电感式、电位器式、气体摆式等。这类传统形式的倾角传感器存在的问题包括有：测量值因人而易、功能单一、测量范围小、反应时间慢、分辨率低、结构复杂、成本昂贵等。

目前大部分倾角传感器是靠地球重力在测量轴上产生的分压力而产生压阻效应来测量倾角。其输出电压U和倾角θ的关系为U∝mg*sinθ，很明显其电压输出和倾角关系是非线性的，而且在90度倾角和270度倾角附近几乎没电压变化，在这个倾角附近的倾角测量灵敏度也很差，难以检测到倾角的变化。其电压输出变化范围不大，从而灵敏度也不高。但是，随着当今技术的发展，对倾角仪的测量精度和输出稳定性要求越来越高。传统的模拟输出倾角传感器由于其结构的局限性，导致其输出本身精度不高、抗干扰能力差，外界干扰因素导致其稳定性也难以得到保证。由于模拟输出，使其使用范围也受限，尤其是使用条件的限制，给用户带来极大不便。

为了实现二维角度变化的检测，授权公告号为CN201007649Y的中国实用新型专利中公开了一种“双轴倾角传感器”，是利用加速度传感器测量倾角；授权公告号为CN1970431A的发明专利申请文件中公开了一种“硅微机械两维倾角传感器芯片及制作方法”，但相关的技术方案分别在精度或稳定性上不能满足要求，或为模拟信号非线性输出。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种二维数字倾角传感器，以期能够同时测量两个方向360度范围内倾角、分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强，并以数字信号输出。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明二维数字倾角传感器的结构特点是包括：

一X轴向非线性模拟输出倾角传感器，设置在XOZ平面中；具有两路倾角输出信号XOZ-X、XOZ-Y，所述两路倾角输出信号之间为90度相位差；

一Y轴向非线性模拟输出倾角传感器，设置在YOZ平面中；具有两路倾角输出信号YOZ-X、YOZ-Y，所述两路倾角输出信号之间为90度相位差；

一数据采集和接口控制单片机，所述X轴向非线性模拟输出倾角传感器的两个输出接口及Y轴向非线性模拟输出倾角传感器的两个输出接口分别与电容并联连接在所述单片机的不同的ADC接口上；

一电源模块，为单片机、X轴向非线性模拟输出倾角传感器、Y轴向非线性模拟输出倾角传感器及显示器接口模块供电；

一键盘接口模块，来自于单片机的I/O接口，用于外接键盘；

一显示接口模块，来自于单片机的I/O接口，用于外接显示器；

一总线输出接口模块，预留有跳线接口，以供选择不同的总线类型。

本发明二维数字倾角传感器的结构特点也在于：

设置外部电源，所述外部电源通过稳压芯片为单片机、X轴向非线性模拟输出倾角传感器、Y轴向非线性模拟输出倾角传感器及显示器供电。

通过显示器接口模块和键盘接口模块分别外接有一个倾角测量结果显示器和两个按键，所述按键用于水平面校准和锁定当前显示内容。

在所述总线输出接口模块中，分别引出单片机的SPI总线引脚SS、SPSCK、MISI、MISO；引出单片机的异步串口引脚TXD、RXD；引出IIC总线引脚SCL、SDL；以及引出CAN总线引脚TXCAN和RXCAN。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过将两个倾角传感器相互垂直布置，可以同时测量两个方向的倾角；通过AD对两个传感器的四路模拟输出分别进行采样数字化以后，送入单片机进行数字滤波，使其稳定性显著提高，抗干扰能力大大增强；通过对某一轴上传感器两路输出进行交叉取值，可以避免上述传感器出现的90度和270度附近不灵敏的现象，使得整个传感器的输出精度能达到0.1度。由于本系统只是外加一片处理器，通过软件上的融合算法使其精度大大提高，稳定性显著加强，其结构简单、精度高、成本低廉的。

2、本发明所获得的倾角值可通过数字显示器进行显示，显示器正反180度是对称的，当传感器旋转180度以后显示器显示的内容也会自适应旋转180度，使显示内容还是正面朝上，这样可以方便用户读取角度。此外用户可以通过键盘进行水平面校准和锁定当前显示内容。

3、本发明具有灵活的SPI、IIC、CAN、异步串口接口，可以非常灵活方便地和其他数字设备结合使用，组合成功能更强大的仪器，使传感器的应用范围大增。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明显示器显示结构示意图。

图3为本发明电路原理图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1、本实施例中的二维数字倾角传感器具有：

一X轴向非线性模拟输出倾角传感器1，设置在XOZ平面中；具有两路倾角输出信号XOZ-X、XOZ-Y，两路倾角输出信号之间为90度相位差；

一Y轴向非线性模拟输出倾角传感器2，设置在YOZ平面中；具有两路倾角输出信号YOZ-X、YOZ-Y，两路倾角输出信号之间为90度相位差；

同时设置的有单片机3、键盘接口模块4、显示接口模块5、电源模块6和总线输出接口模块7。

参见图3，本实施例中，X轴向非线性模拟输出倾角传感器J1的两个输出接口及Y轴向非线性模拟输出倾角传感器J2的两个输出接口分别与电容C7、C9、C12和电容C13并联连接在单片机U1的不同的ADC接口上。

单片机U1控制其内部自带的12位ADC对两个非线性模拟输出倾角传感器J1、J2的四路输出分别进行采样，首先将采样结果进行数字滤波去除噪声，然后将滤波后的采样值与标定值进行比较并判断分析，模拟传感器的输出电压U和倾角θ的关系为U∝mg*sinθ，其在90度倾角和270度倾角附近几乎没电压变化，所以难以测量到倾角的变化。但传感器有两路相位相差90°的输出，例如XOZ平面的传感器，当X轴向输出XOZ-X相位为90°和270°时，而其Y轴向的输出由于相差90°，此时相位为0°和180°，此时Y轴向的精度明显高于X轴向，同样当Y轴向出现90°和270°时X轴向为180°和0°。这样将整个360°范围根据两个轴向的输出划分为不同的区间，单片机根据采样结果和标定值进行比较，在不同的倾角区间选择具有更高精度的轴向的输出。标定时将整个区间分为若干个线性区，测量时根据选中轴向的采样值进行区间定位，最后在区间内进行线性插值即可计算出倾角结果。从而避免上述传感器出现的非线性输出和90度、270度附近灵敏度太差的现象。再根据分析结果分别对两个传感器的输出进行交叉取值，最后通过线性插值将倾角结果计算出来。通过融合算法取精度较高的输出，从而避免上述传感器出现的非线性输出和90度、270度附近灵敏度太差的现象。

图3所示，电源模块是通过稳压芯片U2为单片机U1、X轴向非线性模拟输出倾角传感器J1、Y轴向非线性模拟输出倾角传感器J2及外接显示器供电；

此外，键盘接口模块4来自于单片机U1的I/O接口，用于外接键盘；

显示接口模块5来自于单片机U1的I/O接口，用于外接显示器；

总线输出接口模块7预留有跳线接口，以供选择不同的总线类型。

具体实施中，在总线输出接口模块7中，分别引出单片机3的SPI总线引脚SS、SPSCK、MISI、MISO；引出单片机的异步串口引脚TXD、RXD；引出IIC总线引脚SCL、SDL；引出CAN总线引脚TXCAN和RXCAN。

图3示出，本实施例中，单片机采用MC9S08，引出单片机的BKDG、RST引脚作为程序调试下载用；因异步通信需要可靠稳定的时钟源，本实施例引出单片机的EXTAL、XTAL引脚分别和晶振连接为单片机提供时钟源；同时，分别引出单片机的SPI总线引脚SS、SPSCK、MISI、MISO；引出单片机的异步串口引脚TXD、RXD；引出IIC总线引脚SCL、SDL；引出CAN总线引脚TXCAN和RXCAN，这样用户可以方便以这此引线与其他设备结合使用。

图3示出，本实施例中引出单片机U1的RESET引脚，再通过一电阻R1连接到5V电源，通过一电容C1连接到电源地，同时与下载器的RST接口连接，实现上电复位和调试时指令复位。

为了方便进行人机交互，并使其具有更强的扩展性，本实施例将显示器和键盘单独作一模块供用户选择使用，显示器和键盘通过引线和单片机相连实现实时显示和键盘控制。

图2示出，显示器为六位，对X轴向及Y轴向的两个方向倾角值的输出进行分时显示，第一位设置为显示当前值是X轴还是Y轴倾角值输出，第二位为空位不显示任何内容，后四位为倾角值显示位，使输出符合常规数据显示，第五位后有小数点显示，测量值为0.0°到359.9°。

为了用户使用方便，显示器设置为双向正反显示，当测量大角度超过180°时倾角仪倒置的情况下系统会自动将显示结果倒过来显示，并有箭头显示指向当前方向，这样可以方便用户读取角度。同时，因为不同使用环境不一样，安装后0刻度面与水平面会出现偏差，此时可以通过按键进行零位校准，使得当前面为“0”刻度面。同时为了用户读取数据，可以通过按键锁定当前显示值。

Claims

1.一种二维数字倾角传感器，其特征是包括：

一X轴向非线性模拟输出倾角传感器(1)，设置在XOZ平面中；具有两路倾角输出信号XOZ-X、XOZ-Y，所述两路倾角输出信号之间为90度相位差；

一Y轴向非线性模拟输出倾角传感器(2)，设置在YOZ平面中；具有两路倾角输出信号YOZ-X、YOZ-Y，所述两路倾角输出信号之间为90度相位差；

一数据采集和接口控制单片机(3)，所述X轴向非线性模拟输出倾角传感器(1)的两个输出接口及Y轴向非线性模拟输出倾角传感器(2)的两个输出接口分别与电容并联连接在所述单片机(3)的不同的ADC接口上；

一电源模块(6)，为单片机(3)、X轴向非线性模拟输出倾角传感器(1)、Y轴向非线性模拟输出倾角传感器(2)及显示器接口模块(5)供电；

一键盘接口模块(4)，来自于单片机(3)的I/O接口，用于外接键盘；

一显示接口模块(5)，来自于单片机(3)的I/O接口，用于外接显示器；

一总线输出接口模块(7)，预留有跳线接口，以供选择不同的总线类型。

2.根据权利要求1所述的二维数字倾角传感器，其特征是通过显示器接口模块(5)和键盘接口模块(4)分别外接有一个倾角测量结果显示器和两个按键，所述按键用于水平面校准和锁定当前显示内容。

3.根据权利要求1所述的二维数字倾角传感器，其特征是在所述总线输出接口模块(7)中，分别引出单片机(3)的SPI总线引脚SS、SPSCK、MISI、MISO；引出单片机的异步串口引脚TXD、RXD；引出IIC总线引脚SCL、SDL；以及引出CAN总线引脚TXCAN和RXCAN。