加速度計(jì)測傾角的原理分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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1、 加速度計(jì)測傾角的原理分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 圃蟹面墨! 加速度計(jì)測傾角的原理分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 張耀文江佳峻王兆兵賈琦李星星陳凱 (中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院北京100083) 高新技術(shù) 摘要:介紹了加速度計(jì)潮量傾角的原理.方法和步驟,并提供了基于AVR單片機(jī)和MMA他6模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和爰I試結(jié)果. 關(guān)鍵詞:MMA726A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中圖分類號:TP212文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672--3791(2011)06(c)一0002—02 在地質(zhì)測量和生產(chǎn)生活中經(jīng)常會接觸 到傾角的測量,傳統(tǒng)的測角工具和儀器使 用起來存在操作復(fù)雜,時間較長,人為干擾

2、 較大等缺點(diǎn).本文中提到的測量系統(tǒng)具有 測量速度快,操作簡便易行的特點(diǎn),并且可 以在一定程度上減小人為因素的干擾從而 減小測量的誤差. 1測量原理 1.1物理原理 加速度計(jì)的默認(rèn)受力軸為水平方向, 即水平放置軸向上受到的拉力為0,加速度 a為0.(圖1)當(dāng)加速度計(jì)產(chǎn)生傾斜時,受力軸 的軸線與水平線會產(chǎn)生大小為0的夾角, 從而在軸線方向受到大小為的F=Mgcos0 重力分量,軸線上加速度a為gcos0.不同的 傾斜角度下,加速度計(jì)受力軸所受到的力 的大小不同.0在oNgo度的范圍內(nèi)a與0存 在著一一對應(yīng)的關(guān)系.因此a與0還存在如 下形式關(guān)系:arccos(a)=0

3、可以通過測量F的 大小得到0的值,即傾斜角的大小. 1.2MMA726工作原理 加速度計(jì)MMA726具有三個加速度感 應(yīng)軸,感應(yīng)方向兩兩垂直(圖2)所示.用于感 應(yīng)物體的運(yùn)動和方向,根據(jù)物體運(yùn)動和方 向改變輸出電壓值.各個軸的信號在不運(yùn) OsB 動或者不被重力作用的狀態(tài)下(0g),其輸出 為1.65V.如果沿著某一個方向活動,或者 受到重力作用,輸出電壓就會根據(jù)其運(yùn)動 方向以及設(shè)定的傳感器靈敏度而改變其輸 出電壓. 加速度計(jì)靈敏度由兩個開關(guān)S1,S2連接 的電阻控制,電阻大小選擇在lkn到3.3kQ 之間.具體情況見表】. 1.3傾角的測量 將加速度計(jì)靜止的放

4、在所要測量的斜 面上,使感應(yīng)軸與斜面保持平行,且指向斜 面傾斜方向(圖3).根據(jù)牛頓第二定律的現(xiàn) 代表述方法:物體的動量對時間的變化率與 所加的外力成正比,并且發(fā)生在這外力的方 向上.此時由于加速度計(jì)相對地球靜止,所 以改變加速度計(jì)輸出電壓的因素只有地球 的重力加速度g在感應(yīng)軸方向的分量.因此 可以通過測量加速度計(jì)輸出的電壓大小 V1,減去水平放置時的電壓初始值V0,再除 以測量靈敏度k,得到加速度的變化值△g. 公式為:計(jì)算得到的△g即為本文1.1 中提到的加速度a.進(jìn)一步利用公式,就可 以得到物體表面的傾角. 2AD轉(zhuǎn)換 2.1A/D轉(zhuǎn)換器 圖1感應(yīng)軸受力原

5、理圖示圖3加速度計(jì)測角原理圖示 Scns ▲xis for x-^z ScnsinsAxis forZ—▲Il8 圖2加速度計(jì)感應(yīng)軸圖示 tng Is 圖4系組成程圖 2科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION A/D轉(zhuǎn)換器是一種用來將連續(xù)的模擬 信號轉(zhuǎn)換成適合于數(shù)字處理的二進(jìn)制器件. A/D轉(zhuǎn)換器的輸入有兩種,即模擬輸入 信號V(in)和參考電壓V(ref);其輸出是一組二 進(jìn)制數(shù).可以認(rèn)為,A/D轉(zhuǎn)換器是一個將模 擬信號值編碼制成對應(yīng)的二進(jìn)制的編碼器. 常用的A/D轉(zhuǎn)換器有:雙積分式,逐位 比較式及并行直接比較武等幾種

6、 2.2A/D轉(zhuǎn)換方法 本系統(tǒng)利用的是AVR芯片,內(nèi)部集成 有一個l0位逐次比較ADc電路.因此,使 用AVR可以非常方便地處理輸入的模擬 信號量. ATmega128的ADC與一個8通道的模 擬多路復(fù)用器連接,能對來自端口F的8路 單端輸入電壓進(jìn)行采樣.單端電壓輸入以 0V(GND)為基準(zhǔn).器件還支持16路差分電路 輸入組合.兩路差分輸入(ADCl,ADDCO 與ADC3,ADc2)有可編程增益級,在A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB,20dB或 46dB的放大級.七路差分模擬輸入通道共 享一個通用負(fù)端,而其他任何ADC輸入可 作為正輸入端.基準(zhǔn)電壓可以通過

7、在AREF 引腳上加一個電容進(jìn)行解耦,以更好地抑 制噪聲. 3系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1流程設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傾角測量的流程為:加速 度計(jì)通過感應(yīng)重力的變化輸出連續(xù)的模擬 信號,將這一信號連接A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備.A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)備再將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號, 并將這一信號經(jīng)過單片機(jī)I/O口輸入到單 片機(jī)內(nèi)部.單片機(jī)再將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到 傾角的大小,然后通過LcD液晶顯示屏將 結(jié)果顯示給用戶(圖4). 3.2單片機(jī)選擇 由于加速度計(jì)所需的數(shù)據(jù)處理速度不 需要很高,所以適用于大多數(shù)類型的單片 機(jī).在選用單片機(jī)的時候應(yīng)考慮的因素有: 可靠性,功能實(shí)現(xiàn)性,兼容性,功耗和價位. AT

8、mega128單片機(jī)為基于AVRRISC 結(jié)構(gòu)的8位低功耗微處理器.可以減緩系 統(tǒng)的功耗和處理速度之間的矛盾.具有 相對完善的接口性能和大量的功能接 口,便于實(shí)現(xiàn)多個外設(shè)的同時工作.此外 在省電,穩(wěn)定性,抗干擾性以及靈活性方 面具有良好的性能,故這里選用它來執(zhí) 行測角的功能. 3.3硬件接口設(shè)計(jì) 由于ATmega128芯片內(nèi)部集成了ADC 轉(zhuǎn)換電路,所以只需要設(shè)計(jì)模擬信號的輸 入電路再與芯片的ADC輸入口(PORTF)相 高新技術(shù)2011NO18SCIENCE&TECHNOLOGYIN—FORM—ATION R128 PO盯BPoR1A PORTDPORT

9、C p0RTF7 PoRTF6 E4PoRTE4PoRTF5 P0RTF4 P0RTF3——U4 P0RTGP0RTF2婦l PORTFlVv2 P0RTFOVx3 R￡S￡T4 S XlXTAL2,,DC XZX1_ALlND—]~peed—1 ]宇 圖5硬件接口圖示 表1靈敏度功能表 US l 2 耋 4 5 Speed2 EED S1S2SlS2范圍g靈敏度mg/V R1R2R3R4 R1R21.58O0 R2R32.06o0 RlR4_4-4.0300 R3R46.0200 連,則可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的要求.將加速度 計(jì)的輸出

10、端接單片機(jī)模擬輸入電路的輸入 端口,加速度計(jì)使能端接到未被利用的I/o 端口,這樣就組成了傾角測試系統(tǒng)(圖5).圖 中的PE4引腳即為加速度計(jì)的是能控制引 腳,當(dāng)該引腳為高電平時,加速度計(jì)芯片使 能,當(dāng)該引腳變?yōu)榈碗娖綍r,加速度計(jì)芯片 停止工作,此時單片機(jī)可以執(zhí)行其它的任 務(wù) 4軟件設(shè)計(jì) 4.1編程步驟及流程圖 流程圖(圖6). 程序所要經(jīng)過的步驟為:初始化端口, 初始化A/D轉(zhuǎn)換器,開加速度計(jì)使能,A/D 轉(zhuǎn)換,單片機(jī)處理數(shù)據(jù),初始化LCD,LCD顯 示輸出. 4.2編程所需注意的問題 程序中需要定義數(shù)組儲存傾角值, 應(yīng)注意傾角的正負(fù)符號;經(jīng)計(jì)算得到的 公

11、式參數(shù)與實(shí)際值有一定的誤差,需要 在程序中進(jìn)行修正;程序中注意轉(zhuǎn)換器 使能的控制;試驗(yàn)中處理后得到的數(shù)據(jù) 傳送到LCD上顯示時應(yīng)注意進(jìn)行格式 的轉(zhuǎn)化;為了盡可能充分的利用單片機(jī) 資源,在不測量傾角的時候可以使單片 機(jī)進(jìn)行其它操作. 5結(jié)果分析及總結(jié) 通過選取合理的參數(shù)本系統(tǒng)中所選取 的加速度計(jì)兩個感應(yīng)軸工作正常,可以得 到較為精確的結(jié)果,平且可以通過LCD進(jìn) 行顯示. 在整個系統(tǒng)的構(gòu)造中,應(yīng)確保接口連 接正確,加速度計(jì)安放平穩(wěn),不會產(chǎn)生晃 動.編程中合理使用延時,經(jīng)過多次反復(fù)測 圖6程序流程 量選取合適的參數(shù). 如果在試驗(yàn)中產(chǎn)生"意外"的結(jié)果要 仔細(xì)分析查找

12、原因,找到解決方法,保持 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,然后重復(fù)試驗(yàn),最終獲得理 想的結(jié)果. 加速度計(jì)與單片機(jī)之間的連線越短越 好,最好直接焊接到一起,這樣可以有效的 減少信號在傳輸線路中引入的噪音干擾, 使測量結(jié)果更加精確. 參考文獻(xiàn) [1】龍丘.MMA7260模塊V30使用手冊. [2】張三慧.大學(xué)物理學(xué)(M】.清華大學(xué)出版 社,l999(4). 【3]張俊謨.單片機(jī)中級教程[M】.北京航空 航天大學(xué)出版社,2006(10). [4】陳冬云,杜敬倉,任柯燕.ATmega128單 片機(jī)原理與開發(fā)指導(dǎo)[M】.機(jī)械工業(yè)出 版社,2006(10). (上接1頁) 2熱塑性聚酯彈性體

13、墊板應(yīng)用設(shè)計(jì) 墊板外觀設(shè)計(jì)根據(jù)有限元結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化 受力控制,并結(jié)合噪音控制的流體力學(xué)原理, 在上下表面才采用十字縱橫向正向交叉排列 的柱狀體結(jié)構(gòu),其聞用溝槽進(jìn)行連接,溝槽與 槽壁的交界面采用弧形圓滑連接.槽深5mm～ 8ram,槽寬14mm～l8ram,槽間距離30ram～ 35ram,其剖面圖(圖2)所示.墊板經(jīng)過設(shè)備檢 測,符合鐵路減振元件的使用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn). 彈力,出眾的韌性及強(qiáng)度,廣泛的適用溫度 范圍以及優(yōu)異的加工性能,而在鐵路橡塑 件上的使用也日益增多.其制成產(chǎn)品的壽 命周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于傳統(tǒng)的橡膠墊,EVA墊或 TPU墊,從而使長期成本大大降低,從而具 有較好經(jīng)濟(jì)

14、價值和使用價值.使用熱塑性 聚酯彈性體設(shè)計(jì)的墊片能夠滿足鐵道行業(yè) 的各項(xiàng)使用要求的技術(shù)規(guī)范,從而可以在 鐵道軌道進(jìn)行應(yīng)用. 參考文獻(xiàn) 3結(jié)語(1】馮剛,苑會林.高速鐵路用熱塑性聚酯 由于熱塑性聚酯彈性體具有驚人的回彈性體發(fā)泡材料擠出成型研究【J】.塑料 工業(yè),2010,38(2):76～81. 【2】張勇,黃志榮,馮增國,等.不同軟段長 度聚醚酯彈性體PEGT/PBT的合成與 表征[J】.北京理工大學(xué),2003,23 (1):123～128. [3】張勇,張愛英,馮增國,等.聚乙二醇/聚 對苯二甲酸丁二醇酯聚醚酯彈性體的合 成與表征一不同硬段長度對材料性能的 影響【J].高分子,2002(2):l67～171. 科技資訊SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION3