CN219141819U - 一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，包括控制模块、传感模块、显示模块、电源模块；控制模块分别与传感模块、显示模块和电源模块连接；控制模块包括主控芯片和晶振电路，晶振电路与主控芯片连接；传感模块焊接在电路板重心处，包括惯性传感器和稳压芯片，惯性传感器与控制模块的主控芯片通讯连接，稳压芯片的输入端连接电源模块，输出端连接惯性传感器；显示模块固定于所述盖板的开口位置；电源模块包括电池组与电源转换电路，电源转换电路的输入端接电池组，输出端分别与控制模块、显示模块、传感模块电气连接。本实用新型能够精确且快速地测量平面的倾斜角，具有体积小巧、操作简单等优点。

Description

一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统

技术领域

本实用新型属于传感器检测技术领域，涉及是一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统。

背景技术

倾角仪一般是采用互为垂直的三轴加速度计测量地球重力，各轴加速度计的输出值即是地球重力加速度在三轴的投影，依据牛顿第三定律可知地球重力在各轴的分量，最后利用三角函数相关知识可求出倾角。这样在仅使用加速度计的情况下，可较好地实现静态情况下的倾角测量，若将三轴加速度计和三轴陀螺仪配合使用，可确保动态情况下倾角的测量精度。

然而，传统的机械式倾角仪体积大、成本高、精度差、加工工艺复杂、实时性差，近些年随着微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的飞速发展，特别是MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的商业化生产，使得倾角仪结构更加简单，测量精度越来越高，使用越来越方便，成本也更加便宜。

检索发现公开号CN110530331A公开了一种基于惯性传感器的倾角测量系统，该系统主要由传感器模块、信号调理模块、A/D转换器、信息处理模块、LED显示器、移动终端、数据传输模块和系统交互模块组成的，采用微加工工艺研制的新型传感器，与传统的相比，具有功耗低，体积小，重量轻，成本低，可靠性高等突出性能优势。然而该系统使用独立的陀螺仪与加速度计作为惯性传感器，采用A/D转换器对所采集的信号进行处理，且所用ADXRS646陀螺仪价格较高，导致系统集成度低、成本高，信号传输易出错、可靠性较低，不利于常规情况下的使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统。

为了达到以上目的，本实用新型提供了一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，包括控制模块、传感模块、显示模块、电源模块、底座、盖板；所述控制模块焊接在电路板上，且所述控制模块分别与传感模块、显示模块和电源模块连接；

所述控制模块包括主控芯片和晶振电路，所述晶振电路与主控芯片连接，所述主控芯片分别与传感模块、显示模块连接，晶振电路产生晶振信号作为主控芯片的时钟驱动，主控芯片对传感模块初始化后，接收并处理传感器信号，将解算出的结果发送到显示模块；

所述传感模块焊接在电路板重心处，所述传感模块包括惯性传感器和稳压芯片，所述惯性传感器与控制模块的主控芯片通讯连接，其中惯性传感器通过I2C与控制模块实现通讯，所述稳压芯片的输入端连接电源模块，输出端连接惯性传感器，专用稳压芯片的输入端接电源模块并向惯性传感器输出3.3V直流电压；所述惯性传感器感应载体受到的重力与角速度，并发送至控制模块；

所述显示模块为一块0.96寸OLED显示屏，所述显示模块被固定于所述盖板的开口位置，由电源模块供电，通过I2C通讯线从控制模块接受输出数据并显示；

所述电源模块包括电池组与电源转换电路，电池组为聚合物电池，所述电源转换电路的输入端接电池组，输出端分别与控制模块、显示模块、传感模块电气连接。

本实用新型采用的嵌入式系统主要由嵌入式微处理器和外围硬件设备组成，该系统使用灵活，在满足特定功能需求的同时，兼具小体积与低功耗优点。

本实用新型进一步的技术方案如下：

优选地，所述控制模块由电源模块提供3.3V直流电压。

优选地，所述控制模块由STM32F103C8T6单片机与外围晶振电路组成，所述晶振电路由32.768kHz晶振和8MHz晶振组成，所述STM32F103C8T6单片机通过I2C通讯线分别与传感模块和显示模块连接。

本实用新型的控制模块是由STM32F103C8T6单片机与外围晶振电路组成的最小系统，本实用新型采用以Cortex-M3为内核的STM32F103系列微控制器，该微控制器运行速度快，数据处理能力强，并有丰富的外设通讯模块，可满足本实用新型数据处理的需求。

优选地，所述传感模块由MPU6050惯性传感器与RT919-33稳压芯片组成，所述RT919-33稳压芯片的输入端接电源模块，输出端连接MPU6050惯性传感器，向MPU6050惯性传感器提供3.3V直流电压。

优选地，所述MPU6050惯性传感器的内部设有三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计分别通过12C通讯线与控制模块的主控芯片连接，各轴信息通过I2C通讯线传输至控制模块。

优选地，所述显示模块为JMD0.96D-1 OLED显示屏，所述显示屏安装在盖板的开口处，所述显示屏通过排线与电路板相连。

优选地，所述显示屏通过12C通讯线与控制模块的主控芯片相连，用来接收控制模块数据并显示。

优选地，所述电池组为5VLP902040聚合物电池，所述电源转换电路包括LT1763MPS8稳压芯片。

本实用新型中电源转换电路为以LT1763MPS8稳压芯片为主的稳压电路，稳压电路输入端接电池组，输出端分别向控制模块、传感模块、显示模块提供3.3V直流电压。

优选地，所述底座的内部开有用于放置电路板的空腔，所述盖板安装在底座的空腔上部，所述主控芯片、惯性传感器、电源转换电路的稳压芯片、电池组焊接在电路板上。

优选地，所述电路板的四角设有调平螺母，在所述底座内位于电路板的一侧设有配重质量块。

本实用新型的底座采用环氧板，外底面需要保障平整；盖板采用PC材质，上有开口以安装显示模块，整个装置内部还有配重质量块、调平螺栓等零件。

本实用新型通过对传感模块采集的数据进行解算，能够精确且快速地测量平面的倾斜角，具有体积小巧、操作简单等优势。

本实用新型提供的基于惯性传感器的数显倾角仪，相较于传统机械式倾角仪，采用嵌入式系统设计，所用微控制器集数据收集、处理于一体，整体结构小巧，简单实用，成本较为低廉

本实用新型提供的倾角仪，相较于常见的电子数显倾角仪，采用惯性传感器，集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，不仅能实现静态下二维倾角的测量，经过算法的滤波补偿后，在动态情况下对二维倾角测量也具有较高的精度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型的原理框图。

图3为本实用新型中控制模块与显示模块的电路图。

图4为本实用新型中传感模块的电路图。

图5为本实用新型中电源模块的电路图。

图中：1.OLED显示屏，2.盖板，3.调平螺栓，4.底座，5. 印刷电路板，6.STM32F103C8T6单片机，7. MPU6050姿态传感器，8. LT1763MPS8稳压芯片，9.配重质量块，10.聚合物电池。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，如图1和图2所示，包括控制模块、传感模块、显示模块、电源模块、底座4和盖板2，底座4为上端敞开的内部中空结构，盖板2安装在底座4的上端，用于密封底座4的空腔，控制模块、传感模块、电源模块集成在印刷电路板5上，印刷电路板5设置于底座的空腔内，其中控制模块分别与传感模块、显示模块和电源模块连接，电源模块分别与传感模块、显示模块连接。

其中：控制模块焊接在印刷电路板5上，由电源模块提供3.3V直流电压，包括主控芯片和晶振电路，晶振电路与主控芯片连接，主控芯片分别与传感模块、显示模块连接。晶振电路产生晶振信号作为主控芯片的时钟驱动，主控芯片对传感模块初始化后，接收并处理传感器信号，将解算出的结果发送到显示模块。主控芯片采用STM32F103C8T6单片机6，外围晶振电路由32.768kHz和8MHz两个晶振组成，STM32F103C8T6单片机通过I2C通讯线分别与传感模块和显示模块连接。

传感模块焊接在印刷电路板5的重心处，包括惯性传感器和专用稳压芯片，其中惯性传感器通过I2C与控制模块的主控芯片实现通讯，专用稳压芯片的输入端连接电源模块，输出端连接惯性传感器，以便向惯性传感器输出3.3V直流电压。惯性传感器感应载体受到的重力与角速度，并发送至控制模块。惯性传感器采用MPU6050姿态传感器7，专用稳压芯片采用RT919-33稳压芯片，RT919-33稳压芯片的输入端接电源模块，输出端连接MPU6050姿态传感器7，向MPU6050姿态传感器7提供3.3V直流电压。MPU6050姿态传感器7内部集成三轴陀螺仪和三轴加速度计，三轴陀螺仪、三轴加速度计分别通过12C通讯线与控制模块的主控芯片连接，使得各轴信息通过I2C通讯线传输至控制模块。

显示模块为一块0.96寸OLED显示屏1，采用JMD0.96D-1 OLED显示屏，被固定于盖板2的开口位置，由电源模块供电，OLED显示屏1由排线与印刷电路板5相连，通过I2C通讯线从控制模块接收输出数据并显示。

电源模块包括电池组与电源转换电路，电池组为聚合物电池10，具体采用5VLP902040聚合物电池。电源转换电路为以LT1763MPS8稳压芯片8为主的稳压电路，电源转换电路的输入端接电池组，输出端分别与控制模块、显示模块、传感模块电气连接，向控制模块、传感模块、显示模块提供3.3V直流电压。

另外，底座4采用环氧板，其外底面需要保障平整。底座4的内部开有用于放置印刷电路板5的空腔，盖板2安装在底座4的空腔上部，盖板2采用PC材质，盖板2上具有用来安装显示模块的开口，。主控芯片、惯性传感器、电源转换电路的稳压芯片、电池组均焊接在印刷电路板5上。在印刷电路板5的四角分别设有调平螺母3，在底座4内位于印刷电路板5的两侧分别设有长条状的配重质量块9。

如图3所示，STM32F103C8T6单片机6与晶振电路组成了最小系统，且OLED显示屏1与STM32F103C8T6单片机6连接。STM32F103C8T6单片机6的3、4引脚间接32.768kHz晶振，8、9引脚间接8MHz晶振，45、46引脚分别为同传感模块进行I2C通信的SCL、SDA，21、22引脚分别为同显示模块进行I2C通讯的SDA、SCL，9、24、36、48引脚接电源正极，8、23、35、47引脚接电源负极，其中电源正、负极之间需接滤波电容。

如图4所示，传感模块主要由RT9193-33稳压芯片与MPU6050姿态传感器7组成。RT9193-33稳压芯片的1、2引脚分别接电源模块的输出且两引脚之间并联0.1

的滤波电容，3引脚接电源正极，5引脚与地之间并联滤波电容，其输出端向惯性传感器提供3.3V电压。MPU6050姿态传感器7的24、25引脚分别为具有I2C通信功能的SDA、SCL，接上拉电阻后与控制模块连接，工作状态下向可与控制模块进行数据读写。

如图5所示，电源模块中SW1是启动开关，B1是聚合物电池10，LT1763MPS8为输入5V输出3.3V的直流稳压芯片。该芯片的8引脚接电源正极，7引脚接电源负极，其中两引脚之间并联滤波电容。

工作之前，将集成控制模块、传感模块和电源模块的印刷电路板5放置在底座4的空腔内，并使用调平螺栓3将印刷电路板5调平，然后在印刷电路板5的两侧放置配重质量块9，最后将待显示模块的盖板2安装在底座4上。使用时，闭合启动开关给电子倾角仪系统上电，上电后STM32F103C8T6单片机6执行初始化程序，首先是STM32F103C8T6单片机6自身初始化，包括初始化GPIO口、TIM定时器、I2C通讯接口，然后是外设初始化，包括对MPU6050姿态传感器7采样频率和测量范围的配置，以及对0.96寸OLED显示屏1及相应字库的配置；接着STM32F103C8T6单片机6通过I2C通讯线在TIM2中断里读取惯性传感器数据，经加速度计与陀螺仪的互补滤波算法后，STM32F103C8T6单片机6可解算出载体相较水平面的俯仰角与横滚角（两者即是平面倾角）。其中，MPU6050惯性传感器使用前使用六位置法对误差进行标定；互补滤波算法利用加速度计适用于低频信号，陀螺仪适用于高频信号的特性。

本实用新型采用的MEMES加速度计和MEMS陀螺仪集成在同一块芯片上，具有低成本、低功耗、高集成的优势，采用成熟的I2C通讯模式，保障数据传输的稳定与可靠，可以很好满足常规情况下的倾角测量。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：包括控制模块、传感模块、显示模块、电源模块、底座、盖板；所述控制模块焊接在电路板上，且所述控制模块分别与传感模块、显示模块和电源模块连接；

所述控制模块包括主控芯片和晶振电路，所述晶振电路与主控芯片连接，所述主控芯片分别与传感模块、显示模块连接；

所述传感模块焊接在电路板重心处，所述传感模块包括惯性传感器和稳压芯片，所述惯性传感器与控制模块的主控芯片通讯连接，所述稳压芯片的输入端连接电源模块，输出端连接惯性传感器；

所述显示模块固定于所述盖板的开口位置；

所述电源模块包括电池组与电源转换电路，所述电源转换电路的输入端接电池组，输出端分别与控制模块、显示模块、传感模块电气连接。

2.根据权利要求1所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述控制模块由电源模块提供3.3V直流电压。

3.根据权利要求2所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述控制模块由STM32F103C8T6单片机与外围晶振电路组成，所述晶振电路由32.768kHz晶振和8MHz晶振组成，所述STM32F103C8T6单片机通过I2C通讯线分别与传感模块和显示模块连接。

4.根据权利要求1所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述传感模块由MPU6050惯性传感器与RT919-33稳压芯片组成，所述RT919-33稳压芯片的输入端接电源模块，输出端连接MPU6050惯性传感器。

5.根据权利要求4所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述MPU6050惯性传感器的内部设有三轴陀螺仪和三轴加速度计，所述三轴陀螺仪、三轴加速度计分别通过12C通讯线与控制模块的主控芯片连接。

6.根据权利要求1所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述显示模块为JMD0.96D-1 OLED显示屏，所述显示屏安装在盖板的开口处，所述显示屏通过排线与电路板相连。

7.根据权利要求6所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述显示屏通过12C通讯线与控制模块的主控芯片相连。

8.根据权利要求1所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述电池组为5VLP902040聚合物电池，所述电源转换电路包括LT1763MPS8稳压芯片。

9.根据权利要求1所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述底座的内部开有用于放置电路板的空腔，所述盖板安装在底座的空腔上部，所述主控芯片、惯性传感器、电源转换电路的稳压芯片、电池组焊接在电路板上。

10.根据权利要求9所述一种基于惯性传感器的电子倾角仪系统，其特征在于：所述电路板的四角设有调平螺母，在所述底座内位于电路板的一侧设有配重质量块。

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