毕业设计（论文）-基于单片机的倾角测量装置.doc

陕西理工学院毕业设计基于单片机的倾角测量装置（陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业，2011级1班，陕西 汉中 723003）指导老师： 摘要本文设计并实现一种基于STC89C52单片机为主控制器的倾角数据采集系统，采用三轴加速度传感器ADXL345进行倾角测量。论文介绍了总体方案设计、各个模块的硬件组成和软件设计。硬件方面主要介绍了ADXL345加速度传感器的原理，微控制器的特点与引脚功能，电源模块电路。 可以手动记录角度值，并可以实现声光报警。软件设计部分主要介绍了读键盘动作流程图、主程序流程图。最后给出了实物的测试结果与不足之处。 关键词 角度测量; STC89C52 ; ADXL345 ; IAngle Measuring Device Based on MCUFan Shaopeng(Grade 11,Class 1,Major electronics and information engineering ，School of Physics and Telecommunication engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Qin Wei Abstract :Wedesignedandimplementedbasedmicrocontroller-basedcontrollersSTC89C52inclinationdataacquisitionsystems,triaxialaccelerationsensorADXL345beanglemeasurement.Thispaperintroducestheoveralldesign,eachmoduleconsistingofhardwareandsoftwaredesign.ItintroduceshardwareaccelerationsensorADXL345principles,characteristicsandpinfunctions,powersupplymodulecircuitmicrocontroller.Youcanmanuallyrecordtheanglevalue,andcanachievesoundandlightalarm.Softwaredesignintroducesreadkeyboardactionflowchart,themainprogramflowchart.Finally,testresultsandphysicaldeficiencies. Key words:Angle measurement ; STC89C52;ADXL345;II目录1绪论11.1 研究的目的与意义11.2 研究的方法及研究的现状11.3发展趋势21.4应用领域22设计方案32.1 方案一32.2方案二32.3方案确定43 硬件设计53.1硬件方案53.2信号采集模块53.2.1 ADXL345结构与原理63.2.2信号采集模块电路设计83.3供电模块93.4微控制器模块113.4.1 STC89C52 单片机概述113.4.2 STC89C52 单片机功能113.4.3 STC89C52 单片机管脚图及外围电路连接113.5 LCD模块123.6键盘电路13 3.7声光报警电路144软件设计154.1软件流程图155电路及软件调试175.1显示模块电路175.2键盘模块电路175.3报警模块电路175.4程序调试175.5测量结果17 5.6不足之处18致谢19参考文献20附录A 外文文献21附录B 元器件清单35附录C 电路图36附录D 实物图37附录E 程序381绪论1.1研究的目的及意义 传统的水平仪在动态角度变化与需要高精度测量的场合下，已经不能实现工程需求了。例如，在需要对物体进行动态水平控制的自动控制与工程设计领域中，传统水平仪无法对水平倾角进行自动动态跟踪测量，这使得自动控制中的反馈环节无法达成，不能实现系统快速调平功能；在需要对物体进行快速高精度测量时，限于传统水平仪的响应延时，便无法完成需求的功能。为了适应工业发展，满足工程需要，研究新的电子水平仪是很有意义的。研究倾角测量系统有助于了解加速度传感器的基本原理、性能与应用；熟悉单片机工作方式和应用；通过实验提高对单片机的认识、掌握加速度传感器接口方法及其输入程序的设计、调试方法。将所学的单片机原理及检测技术的知识运用于实践，解决实际问题。 随着三次工业革命的接连落幕，世界生产力稳步提升，社会经济结构与科学技术飞跃式发展，信息革命应运而生，我们便进入了信息时代。信息科学与技术解决三个问题，分别是信息的获取、信息的处理、信息的传输。这三个环节缺一不可，信息获取是第一步，也是关键的技术环节。从人工提供信息到信息自动获取，传感器逐渐成为了信息获取模块的标志性器件，信息获取技术是围绕传感器技术而发展的，传感器技术涉及其自身的设计、制造以及系统的构建，当然还包括传感器的应用。而单片机是信息处理的核心。目前，大多数行业测量倾角时，仍然采用传统的气泡式水平仪。其检测方法有不少缺点，如测量值精确度低、功能相对单一、测量范围小等。本倾角测量系统，与传统的水泡式水平仪相比具有即时数显示、电子检测、测量范围大、测量精度高、使用及携带方便等特点，一定程度地提高了的工作效率。1.2研究现状及研究方法 当前国内的倾角测量技术主要是利用新型SMR敏感元件，将倾斜角度变化作为输入，通过SMR敏感元件转变为电信号输出，其中一类倾角测量选用电感测量传感器，其可以确定相对于固定外壳移动的物体的空间位置，从而实现倾角测量。另外一类是电磁式倾角传感器，由于其原理上的限制，其体积与测量精度之间存在矛盾，系统结构复杂，易受电磁干扰。近几年来，有一些新的研究成果，实现了降低成本，提高精度，简化结构的目标。如采用差动电容传感器制作的数字式倾角测量仪，脱离了单片机而且不会出现非线性误差；或者利用液面自动安平原理，加上多次反射放大，实现高精度倾角测量。研究方法分四个部分，分别是模块化、模块的选择、模块间的链接、软件的实现。1）模块化主要是把倾角测量仪分为几大模块逐个去研究 。倾角测量仪可以分为数据采集模块、数据处理模块、电源模块、显示模块、键盘模块、报警模块。2）模块的选择设计一个模块可以选用不同的方案，但选择方案的不同会导致电路设计不同，即产生对不同电子产品的选择，如何选择方案以实现其模块的功能是很重要的。 例如，对数据采集模块，选择不同的传感器就需要选择不同的电路设计方案。基于差动电容传感器：差动电容传感器采集信号，脉冲调宽电路、低通滤波器、A/D转换器处理信号，LED显示结果基于三轴加速度传感器：加速度传感器采集信号，单片机处理信号，上位机显示结果基于位置敏感光电器件：半导体激光器、PSD光电器件采集信号，单片机处理信号，上位机显示结果3）模块间的连接4）软件的实现确定算法后就可进行相应的程序编写，倾角测量仪中对传感器输出的数据采用的算法举例如下： 算术平均值法：处理器采集加速度传感器一小段时间，计算各三轴上加速度分量的平均值；计算终端倾角校准值；将测量结果减去校准值。径向基神经网络法：cover定理的支持下经过RBF网络进行非线性滤波处理加速度传感器的输出数据1.3发展趋势测度测量技术是生产力与科学技术高速发展的必然产物，它广泛地应用于科研、工业等各领域当中，应用与发展相互促进，测量精度和准确度不断地提高满足了更多应用的需求。逐渐的，角度测量从静态测量向动态测量发展，从半自动化向自动化发展，与自动控制技术的结合越来越紧密，应用范围也越来越广泛。从水平仪诞生以来，原理经历了气泡式到电子式再带光电及激光式的发展。在工程领域内，电子式与电光式水平仪是亟待被推广应用的，因为测量技术已经步入了智能自动化，微控制器可以很方便地与水平仪相结合。但在电子水平仪中这种方法仍未被推广。通过分析近年来电子仪器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子仪器总的发展趋向是模块化、小型化、集成化、智能化；其技术性能趋势是速率高、准确度高、可靠性高、稳定性高；其功能趋势是倾角测量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”；其应用性能趋势于综合性和组合性。1.4应用领域 倾角测量技术应用很广泛。比如，在建筑行业中，角度测量技术可以测量滚动角、倾斜角、建筑工程设备的俯仰角；在水坝系统中，可以用来实现大坝自动监测；在汽车行业中，四轮定位安装需要倾角测量技术，汽车无人驾驶也需要倾角测量实现路面控制；在军事领域中，导弹制导、飞行器控制都需要高精度快速倾角测量。甚至在生物与医学领域也开始应用倾角测量技术了。2设计方案2.1方案一 MMA7260Q采集加速度信号，输出模拟信号至STC12C5410AD中集成的A/D模块，单片机对数字信号进行处理，向8位数码管输出角度值与时间，并控制声光报警模块动作。不采用单片机内部时钟，而使用外部时钟芯片DS1302，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。结构简图如图2.1所示：时钟芯片DS1302声光报警键盘半导体数码管BS201A单片机STC12C5410AD加速度传感器MMA7260Q数码管驱动74HC595图2.1 方案一2.2方案二ADXL345采集加速度信号，输出数字信号至STC89C52，单片机对数字信号进行处理，向LCD输出角度值，并控制声光报警模块动作。声报警器使用蜂鸣器，光报警器使用LED，键盘电路实现角度值设置与单片机复位。结构简图如图2.2所示：声光报警液晶显示器LCD1602键盘单片机STC89C52加速度传感器ADXL345 图2.2 方案二2.3方案确定ADXL345与MMA7260Q都是三轴加速度传感器，前者封装尺寸3mm*5mm*1mm，工作电流40-145uA，工作电压2.0-3.6V，具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可变的测量范围；后者封装尺6mm*6mm*1.45mm，工作电压2.2-3.6V，工作电流500uA，具有+/-1.5g、+/-2g、+/-4g、+/-6g可变的测量范围。相比较ADXL345的尺寸更小、功耗更低、测量范围更广。 STC89C52较之STC12C5410AD虽然性能上要差一些，但更为人们所熟悉，因此使用相对简单。 LCD1602的集成度较高，不需要像BS201A一样添加前置驱动芯片，使用方便；且液晶屏幕是背光显示，数码管是自发光显示，因此前者功耗更低。 为了简化程序编写，不使用外部时钟芯片。 基于以上考虑，最终在具体设计时选用方案二。3硬件设计3.1硬件方案 基于单片的倾角测量装置硬件方案如图3.1所示：声光报警液晶显示键盘单片机加速度传感器电池组降压稳压器图3.1 基于单片机的倾角测量装置硬件方案加速度传感器感应重力场的变化，输出数字信号至单片机，进行数据处理将角度信息显示在液晶屏上。降压稳压器输出3.3V电压，为加速度传感器供电，电池组直接为单片机、声光报警、液晶显示模块供电。键盘使用四脚微型按键，实现单片机的复位与角度值设置。3.2信号采集模块选用加速度传感器ADXL345，这是一款重量轻、体积小的超低功耗3轴加速度传感器，分辨率高，测量范围可达+/-16g。以数字形式输出数据位16位二进制补码格式，可通过I2C或SPI（3线或4线）数字接口访问。ADXL345非常适合在移动设备中应用。既可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量冲击或运动导致的动态加速度。其高分辨率使得能测量部到1.0的倾斜角度变化。该加速度传感器提供多种特殊检测功能，活动与非活动检测功能通过比较用户设置的阈值与任意轴上的加速度来检测有无运动，敲击检测功能可以检测任意方向的单振与双振动作，自由落体检测功能可以检测仪器是否正在下落，这些功能可以独立映射到两个终端输出引脚其中之一3。ADXL345的其它特征：1)超低功耗：Vs=2.5V时，测试模式下低至23uA，待机模式下为0.1uA2)电源电压范围:2.0-3.6V3)I/O电压范围：2.0-Vs4)封装：LGA封装，3mm*5mm*1mm5)可选测量范围：+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g6)温度范围：-40C到85C3.2.1 ADXL345的结构与原理ADXL345引脚图如图3.2：图3.2 ADXL345引脚图ADXL345引脚功能描述如表3.1：表3.1 ADXL345引脚功能描述引脚编号引脚名称描述1VDDI/O数字接口电压源。2GND该引脚必须接地。3RESERVED保留。该引脚必须链接到VS或保持断开。4GND该引脚必须接地。5GND该引脚必须接地。6VS电源电压7CS片选8INT1中断1输出9INT2中断2输出10NC内部不链接11RESERVED保留。该引脚必须接地或保持断开。12SDO/ALT/ADDRESS串行数据输出（SPI4线）/备用I2C地址选择（I2C）13SDA/SDI/SDIO串行数据（I2C）/串行数据输入（SPI 4线）/串行数据输入和输出（SPI 3线）14SCL/SCLK串行通信时钟。SCL为I2C时钟，SCLK为SPI时钟ADXL345内部结构示意图如图3.3：图3.3 ADXL345内部结构示意图工作原理：ADXL345是一款完整的3轴加速度测量芯片。该传感器是多晶硅表面加工结构，置于晶圆顶部。因为应用加速度，多晶硅弹簧悬挂在晶圆表面的结构之上，提供力量阻力。独立固定板和活动质量链接板组成差动电容，能对结构偏转进行测量。加速度使得惯性质量偏转，差分电容失衡，因此传感器加速度与输出的幅度成正比。相敏解调用于确定加速度的极性和幅度1。重力感测单元(G - CELL)是基于半导体材料的微机械结构而构成的。物理模型可以简化成一对固定的平行板，中间还有一块可移动的平板，如图3.4所示。以系统自身为参考系，当参考系中出现加速度场时，中间板就会漂移。中间板漂移时，它到一边(固定平板)的距离增加，而到另一边的距离相应地减少，这种距离的变化可以表征该处加速度场。G - CELL 的平板构成了两个电容，当中间平板移动时，两两平板之间的距离就会改变，因此电容值也随即改变,电容值如下式3.1： （3.1）这里A为单个平板的面积，是介电常数， D是板间距。在ASIC （专用集成电路）中使用开关电容测量出G-CELL 的电容值，并从他们的差值中解出有关加速度的数据。ASIC再进行信号处理和滤波(使用开关电容) ，最后输出正比于加速度的电压。图3.4差分电容z角度测量的原理见如下图3.5：CBgyAx图3.5 角度测量原理以加速度传感器的长边为x轴，以短边为y轴，建立O-xyz直角坐标系，将其作为参考系。设参考系中重力加速度为g=(gx,gy,gz)，其与x、y、z轴夹角分别为、，重力场等势面ABC与平面XOY的夹角为，由欧氏几何便可以算得如下各式： (3.2) (3.3) (3.4) (3.5)3.2.2信号采集模块的电路设计 ADXL345的外部电路如图3.6，两个中断输出引脚INT1、INT2向单片机的两个外部中断输入引脚INT0、INT1输出中断信号，串行数据输出引脚SDA向单片机的串行数据输入引脚RXD输出采集到的倾角信号，SCL发出串行数据同步通信时钟。图3.6 ADXL345 外围电路连接图3.3供电模块将三节5号电池组成串联为电池组，提供5V电压。系统各部分除了加速度传感器外都采用5V直流供电，对于加速度传感器，为了提高其精度，需要将加速度传感器的供电电压稳定在2.8V到3.6V之间，因此选用ME6206降压稳压器，使加速度传感器的供电稳定在3.3V。ME6206是一款高纹波抑制率、低压差、低功耗，具有短路和过流保护的CMOS降压型电压稳压器。器件具有非常低的静态偏置电流，能在输入、输出电压差极小的情况下提供300mA的输出电流，且能保持良好的调整率。由于输入输出间电压差非常小，静态偏置电流很小，所以这款器件特别适合用于希望延长有用电池寿命的电池供电类产品。ME6026的其它特点：1）输出电压精度：+/2%2）输出电压：1.5-5.0V3）最大工作电压：6.5V4）带负载能力：当Vin=4.3V且Vout=3.3V时，Iout=300mA5）输出电压差：0.20V at 90mA and 0.40V at 200mA6）静态偏置电流：Typ=8.0uA7）封装类型：SOT-23-3，SOT-89-3ME6206引脚图如图3.7所示：图3.7 ME6206引脚图ME6206引脚功能如表3.2所示：表3.2 ME6206 引脚功能引脚号符号引脚描述M3PP1SOT-23-3SOT-89-3SOT-89-3112Vss接地引脚231Vout电压输出端323Vin电压输入端ME6206内部结构示意图如图3.8：图3.8 ME6026内部结构示意图ME6206外围电路连接图如图3.9：图3.9 ME6206外围电路连接图3.4微控制器模块3.4.1 STC89C52单片机概述STC89C52系列单片机是宏晶科技制造的单时钟/机器周期单片机，可以使用8051的指令代码,速度快，内部集成了MAX810专用复位电路。3.4.2 STC89C52单片机功能 p2.2与p2.1口实现与加速度传感器的异步串口通信，p0口向LCD并行输出数据，p2.7、p2.6、p2.5口实现单片机对LCD的控制， p3.5与p3.4接受阈值设定的按键动作信号，p3.3口输出声光报警信号，RST端实现上电复位，XTAL1与XTAL2D与外部晶振相连。3.4.3 STC89C52单片机管脚图及外围电路连接STC89C52单片机有三种封装形式，本设计中选用DIP-40封装，其管脚图如图3.10所示：图3.10 STC89C52引脚图 单片机的外部电路连接如果3.11所示：图3.11 STC89C52外围电路连接图3.5 LCD模块LCD选用1602字符型液晶，其引脚图如图3.12：图3.12 1602引脚图 工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602字符型液晶是一种专门用来显示数字、字母、符号等的点阵型液晶显示器。它由若干个5*7或者5*11的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，位与位之间有一个点距的间隔，每行之间同样有间隔，这样就产生了字间距与行间距。1602是指显示的内容为16*2(可以显示两行，每行16个字符)。 1602的引脚功能如表3.3：表3.3 1602引脚功能引脚符号功能说明1VSS地端2SDD电源端3V0调节对比度，输入高电平时对比度最弱，输入低电平时对比度最强4RS寄存器选择，输入高电平时选择数据寄存器，输入低电平时选择指令寄存器5R/W读写信号线，输入高电平时进行读操作，低电平时进行写操作6E使能端，对于读操作，E高电平有效，对于写操作，E下降沿有效7DB0双向并行数据总线0位8DB1双向并行数据总线1位9DB2双向并行数据总线2位10DB3双向并行数据总线3位11DB4双向并行数据总线4位12DB5双向并行数据总线5位13DB6双向并行数据总线6位14DB7双向并行数据总线7位15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极1602的外围电路连接如图3.13：图3.13 1602外围电路连接图3.6键盘电路选用四脚微型按键，三个按键功能分别是报警阈值角度设置加1度、减1度、单片机复位。 按键动作发出信号时，会出现前沿和后沿抖动， 本设计采用用软件延时的办法消除抖动。键盘电路图如图3.14：图3.14（a） 阈值设定按键电路图3.14（b） 单片机复位按键电路3.7声光报警电路报警电路主要功能是角度超过报角度警阈值候会发出报警声光信号。声音报警用使用蜂鸣器来实现，光报警使用红光LED来实现。 声光报警电路图如图3.15： 图3.15 声光报警电路4.软件设计4.1软件流程图 ADXL345采集重力加速度变化，在其内部通过模拟电路处理后，进行模-数转换，输出数字号。读键盘动作流程图如图4.1所示。LCD除了显示当前重力场等势面与装置平面内XY轴的夹角值外，还报警阈值角度，记为（角度制），0,180且Z.按下S1键自加一，按下S2键自减一。S按下S3键，单片机立即复位。开始定时扫描延时5ms有键按下？读取键值结束是否图4.1 读键盘动作流程图 系统上电初始化后，读单片机EEPROM中的程序，开启定时扫描，若定时时间未结束LCD不改变现实内容，若定时时间结束，进入读按键程序，若有按键动作，单片机中断处理按键信号，设置读EEPROM数据或向RAM写入数据，若无按键动作，直接读加速度传感器的输出并计算倾角，将计算结果通过串口传至LCD上显示。主程序流程图如图4.2：开始系统初始化读EEPROM按键处理读写RAM读传感器输出计算倾角串口发送LCD显示定时时间到？ 有键按下？否是否是 图4.2 主程序流程图5电路及软件调试电路进行静态调试时发现了如下问题：1） 使用万用表发现多处虚焊导致的断路，对虚焊焊点进行了重新的焊接，终使其导通；2） 加电后，测量ME6206的输出电压没有稳定在3.3V，更换了两个10uf的滤波电容，实现了3.3V的稳压效果 使用静态电平检测法测量个芯片引脚没有问题后，接插单片机、LCD、加速度传感器。5.1显示模块电路按下电源开关，LCD1602只有背光，没有显示任何字符。和同学讨论后，尝试在V0端接下拉电阻解决了该问题。再次上电后，上电后显示电路正常屏幕显示 “welcome”，之后显示“X: Y: Angel_set:”及相应数值，与显示电路设计的初衷一致。5.2键盘模块电路设计的预期效果是：一共三个四脚微型按键，分别为S1、S2、S3。触发S1键位Angel_set值加1，触发S2键位Angel_set 值减1，触发S3键位单片机复位。但实际按下S1或S2键后，Angel_set的角度值往往会加减4或5。检查电路没有故障后，修改按键消抖程序，将2ms的延时改为5ms后，问题解决。5.3报警模块电路上电后，旋转倾角测量装置，当超过角度阈值时，蜂鸣器长鸣，二极管发光。5.4程序调试在vs2010对单片机程序进行编译、调试,对语法错误和逻辑错误进行修改后完成。将调试完成的程序通过EEPROM编程器，固化在单片机的EEPROM中。5.5测试结果 测试结果如表5.1所示：表5.1 测量结果真实角度值第一次测值第二次测值第三次测值最大误差10.011.89.68.91.830.031.532.729.12.745.044.846.345.71.360.059.661.759.11.7-10.0-9.1-10.8-11.31.3-30.0-32.0-29.4-29.62.0-45.0-46.1-44.6-44.91.1-60.0-60.9-61.6-58.21.85.6不足之处 该装置以万用板的一边为X轴，相邻一边为Y轴，测量与重力场垂直的平面与X、Y轴的夹角，单位为角度制，其分别设为a、b，设XY平面与水平面夹角为，则： （5.1） 但装置未能直接显示出待测平面与重力场等势面的夹角值，需要手动通过式5.1计算，十分不便。应该将这条算式写入程序中。 致谢自选题确定后，我时常接到指导老师秦老师的电话，详细问我对毕设的理解、计划及开题报告完成程度，不仅通过QQ群还通过电话向我们及时传达学校的要求，这种负责的态度令我钦佩不已。在实物制作过程中，秦老师与我约定每周一早晨见面，关切地询问电路设计与实物焊接过程，给了很多有用的建议，对我不清楚的问题进行了耐心的指导，授之以鱼，在秦老师的悉心指导下，我终于完成了毕业设计的制作。谢谢您，秦老师。这次毕业设计是我走向工作岗位前的一次重要的锻炼。在物电学院的要求下，我逼迫自己复习了有些忘却的知识，再次学习了仍未掌握的知识，并将这些知识运用在毕设制作与调试中，提升了我的分析问题和解决问题的能力。学院给予的压力力最终成了我的动力。在此感谢物电学院对我的严格要求，物电学院一定会越来越好。如果没有母校的细心栽培我也很难完成毕业设计，在此感谢母校对我的教育。参考文献1丁小龙，孙传友.数字式倾角测量仪设计J科技咨询导报,2007,22期:45-46.2KenMartin.Digital integrated circuit designM电子工业出版社，2008.131-133.3黄晓东，黄晓华.微电子机械系统ADXL345的应用研究J企业技术开发,2012,16期:34-36.41009-8119（2014）03-0053-02 基于径向基神经网络的加速度计随机误差处理. 5吴伟伟，翁竞，刘华松.浮标倾角测量中误差补偿方法J水运工程，2014，11期：48-50.6于靖，卜雄洙，叶健.带倾角修正的电子磁罗盘倾角测量误差补偿算法J中国惯性技术学报，2013,6期：721-725.7王云峰，谢建，王卫辉.基ADUC816单片机的倾角传感器应用设计J.仪器仪表户，2004,4期:64-68.8熊明春，李积彬，王华权，徐刚，罗飞.基于单片机的方位角与倾角测试系统的实现DB.维普资讯网.9马洪连，丁男，黄伟，马艳华.单片机原理及应用M北京:人民邮电出版社，2004.8.263-290.10FreescaleSemiconductor.MMA7260QDatasheetS.11陈希军，王振桓，曾庆双.Angel measurement error and compensation for decentration rotation of circular gratingsSJournal of Harbin institute of technology,2010,NO.4,536-53912YANG Linghui,YANG Xueyou,ZHU Jigui.Novel method for spatial angle mesasurement based on rotating planar laser beamsSChinese journal of mechanical engineering,2010,NO.6,758-747 13孙玉才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用M.南京:东南大学出版社.83-89.14周立功.增强型80C51单片机速成与实战M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.99-103.15李正军.计算机控制系统M北京:机械工业出版社,2007.7.18-23.16马洪连，郑保重，王伟.基于MEMS技术倾角测量系统的设计与实现J.大连理工大学仪器仪表学报，1993,2期;21-28.附录A 外文文献 Urano, Mitsuhiro, “Novel Optical Sensor for Precise Tilt Angle Measurement”, Patent EP1515117A1,2005Novel Optical Sensor for Precise Tilt Angle MeasurementABSTRACTA novel optical sensor, which can measure inclination angle or tilt angle of two axes simultaneously and precisely, is introduced. This sensor is based on the principle of laser interference so it has very high accuracy. A prototype sensor is designed, built and evaluated to demonstrate the novel concept. It is an optoelectronic sensor. There are no moving parts in the sensor. A fluid horizontal that is absolutely perpendicular to the true vertical provides the reference plane. The angle between the sensor and the absolute horizon changes with the inclination of the object being measured. These changes are reflected in the way of fringe patterns centre position shift. Different interference patterns centre locations are generated when tilt angle varied. The interference fringe pattern are recorded and processed to translate into the tilt angles of two axes, horizontal and vertical. The accuracy can reach as high as +/- 1 arc second with the measurement range of 700 arc seconds when 1024 by1024 pixels image sensor is utilized.Key words: tilt angle sensor, inclinometers, laser interferenceI. INTRODUCTIONThere are several kinds of commercial sensor for tilt angle measurement, which are available in the market. Some known as tilt angle sensor, some are known as inclinometers. They base on different working principles. Electrolytic liquid 1, capacitance 2 and pendulum 3 are the three main working principles that most tilt angle sensor or inclinometer usually base on. Here we propose a novel optical method and build up an optoelectronic sensor with laser, optical components and image sensor. It can do precise tilt angle measurement simultaneously. There is no mechanical movement part. The working principle is based on optical interferometry. Coherent laser is used as the lighting source. It will go through a liquid oil box, which is built by a glass container filled with liquid oil. A fluid horizontal that is absolutely perpendicular to the true vertical provides the reference plane. When laser beam pass through the oil box two beams are reflected back by surface of the liquid and container glass. Interference fringes are formed with these two beams. The fringe patterns will shift in corresponding to the changes of the tilt angles. The fringe patterns is captured and processed to give the tilt angle information. Optical working principle makes it insensitive to magnetic field. The sensor can measure two axes inclination angle simultaneously. A fluid horizontal make sure the reference plane is an absolute horizontal plane. High sensitive optical interference measurement principle assures the high accuracy.A prototype of the method has been built up and evaluated. Experimental results show the tilt angle changes relative to sea level can be detected at the accuracy of +-1 arc second within the measurement range of 700 arc seconds.II. PRINCIPLEFigure 1 illustrates the schematic diagram of working principle. Point O is the focal point of beam expanding lens. Point O can be considered as a point light source. It emits spherical wave-front. Liquid oil surface will always maintain horizontally due to the gravity force of the earth. The oil surface is used as the reference plane. The container is made of glass. Its bottom surface will incline together with the target object when the sensor is placed on the target. The light from oil surface and glass surface will interference to form circular fringes pattern (see Fig. 4). The incline angle can be measured with the centre position changes of circular fringes. P is the mirror image of O against to glass-air surface and Q is the mirror image of O against to oil-air surface. The oil-air surface represents the horizontal plane. When the glass surface positioned parallel with oil surface the P and Q are in the same line perpendicular with oil surface. This line is also the optical axis of the optical system. The fringes are circular fringes with common center. When the oil box is inclined the glass surface has a tilt angle a against to the oil surface. （1）where n is the refraction index of glass.When the tilt angle is tiny, the above equation can be simplified as （2）We can obtain the following equation from and （3）where r is the center position of circular fringes. D is the distance of the receiving screen to the glass surface of oil box. h is the thickness of glass and oil. n is the refraction index of glass and oil ( here we assume the glass and oil have same index since they are very close).Assume that so that h is negligible relative to D. (4)From equation (4) n, D and h are fixed once the setup is assembled. Let , called system constant. This system parameter can be obtained thro