《传感器应用实例》课件-项目5 制作电子水平度测试仪

职业教育物联网应用技术专业改革创新教材传感器应用实例项目5

制作电子水平度测试仪机械工业出版社项目5制作电子水平度测试仪项目目标：1）了解常用加速度传感器的型号及特点。2）指导加速度传感器的原理和特性。3）能够选用ADX系列传感器设计应用电路。4）能够按照方案进行水平度测试仪的制作和调试。5）能对项目实施进行评价。5.1项目描述

本项目要求设计一款电子水平度测试仪。利用新型的电子式加速度传感器和单片机编程技术实现快速并且精确的水平度测量。能够对被测物体的倾斜角度做出指示，当倾斜角度达到设定的报警值时并及时报警。图5-1水平度测试仪图5-2电子水平度测试仪5.2项目分析

本项目利用电子式加速度传感器对重力加速度敏感的这一特性，先测出水平二维平面上横轴和纵轴的重力加速度分量，然后经测量电路处理后，便可得到被测物体的倾斜角度。通过预先编程、多个传感器测量平台不同方向，一次性得出平台与基准面之间的面夹角及面夹角的方向。这种测量方法极大的方便了平台平面的调整。5．2．1整体方案设计

图5-3电子水平仪硬件组成图5．2．2电路设计及工作原理分析

该电路可分为四部分，分别是传感器部分、处理器部分、显示部分和报警部分。处理器通过IIC协议与ADX345进行数据交互，读取出被测物体的倾斜角度，经过程序处理将数据显示到LCD上，并且根据设定值实现报警提示。图5-4

电子水平度测试仪原理图5．3项目实施5．3．1准备工具与元器件1．工具清单

电烙铁1把、焊锡丝1卷、稳压电源1台、数字万用表1只、示波器1台、常用旋具1套、万向台、导线若干。

2．元器件清单见表5-15．3．2安装与调试1．核心元件选用

项目选用的核心传感ADX345，它是一款小而薄的超低功耗三轴加速度测量系统，ADX345非常适合应用在移动设备中，它既能测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传感器使用。图5-5

ADX345实物图ADXL345的主要特性：（1）电源电压范围：2.0V至3.6V；（2）SPI模式和I2C模式数字接口；（3）通过串行命令可选测量范围和带宽；（4）32级FIFO缓冲器；（5）使用温度范围：-40℃至+85℃；（6）抗冲击能力：10000g；（7）小而薄：3mm*5mm*1mm，LGA封装；（8）应用范围：手机、医疗仪器，工业仪器。图5-6

ADX345芯片功能框图2．元器件检测（1）根据元器件清单，进行元器件的清点和分类；（2）识别ADX345集成模块引脚如图5-7所示（3）识别128*64LCD模块的引脚如图5-8所示；（4）使用万用表对电阻器和电位器进行检测，并记录阻值。

将检测结果填入表5-2中。图5-7

ADX345模块实物图和原理图图5-8

128*64LCD显示模块实物图和原理图小贴士ADXL345的工作原理是：首先由前端感应器感测加速度大小，然后感应电信号器件将它转换成可识别的电信号，此时的信号还是模拟信号。在芯片内部集成了A/D转化器，因此模拟信号经过转化器变为数字信号输出。与计算机系统数字信号输出类似，A/D转换器输出的也是16位的二进制补码。数字信号经过数字滤波器的滤波处理后，在控制和中断逻辑单元的控制下访问32级FIFO，单片机通过串行接口读取三个轴的加速度数据。单片机通过对寄存器的操作，发送对串口的读写命令实现对ADXL345的控制。芯片内部的功能框图如图5-6所示。3．元器件成形加工

安装前对各元器件引脚进行成形处理，为保证引脚成形的质量和一致性，应使用专用工具和成形模具，按照工艺要求对元器件进行引脚成形。再将各元器件引脚准备焊接处进行刮削去污，去氧化层，然后在各引脚准备焊接处上锡。4．电子水平度测试仪的安装将经过成形、处理过的元器件按原理图5-4在万能焊接板上进行合理布局，布局可根据如图5-9所示电路进行布局。然后进行焊接安装，安装时各元器件均不能装错，特别要注意有极性的元器件不能装反。安装工艺要求见表1-3。序号元件名称代号安装工艺要求1传感器MPU垂直安装，注意分清管脚排列顺序2芯片MCU垂直安装，注意分清管脚排列顺序3电阻R1-R2水平贴板卧式安装，色环朝向一致，9电位器RP垂直安装，注意分清管脚排列顺序10液晶显示器128*64LCD垂直安装11蜂鸣器BEE从板上引出导线连接表5-3

元器件安装工艺图5-9元件布局图图5-10电子水平度测试仪成品图5．酒精浓度测试仪的调试步骤一：程序编写

单片机是整个系统的“心脏”，全部的软件设计都要在单片机上运行。但是在单片机模块程序设计中，主函数设计的较为简单，主要内容是单片机、LCD屏幕和ADXL345加速度传感器的初始化，以及利用I/O端口模拟I2C读写数据，如下图5-12所示，是程序的流程框图。（参考程序见附录3）图5-11程序流程框图步骤二：通电前检查1)通电前使用万用表检测电路有误短路现象，如果有请排除；2)检查集成电路引脚连接是否正确；3)检查ADX345模块安装是否与电路板平行；4)检查电路连线是否正确，各焊点是否焊牢，元器件是否相互碰触。步骤三：通电调试1)为电路接通5V直流电源，注意电源的正负极。观察LCD显示器是否有显示，若无显示或显示对比度不高，调节电位器RP，指导显示器显示效果良好为止。2)将电路水平安装在万向台上，用手改变电路的水平位置观察LCD上显示的X轴、Y轴、Z轴的读数。如图5-12所示是实物电路在不同水平角度下的数据显示。由于ADX345模块内部自带了校准功能，所以电路焊接完成后，只要程序编写正确，便可以准确的进行测量和读数。图5-12

实物电路调试图5．4知识拓展

加速度是物体运动的速度随时间的变化率，即物体的速度每秒增加或减少多少。加速度传感器就是用于测量待测物体运动过程中的加速度的传感器。其组成结构由不同的类型而不同。目前单维的加速度传感器的技术比较成熟，基于压电、压阻、光纤等检测机理的各种传感器，市场上都有相应的产品。然而，物体运动的加速度是一空间矢量。如果要准确了解物体的运动状态，必须测得它的三个坐标轴上的分量;而且在预先不知道物体运动状况的场合下，只有应用多维加速度传感器来检测相应的加速度信号。同时，随着科学技术的迅速发展，传统的单维加速度传感器己经不能满足在测量、控制和信息技术等领域对传感信息越来越高的要求。加速度计种类繁多，但从测试原理上可分为压电效应式、电容式、电感式、应变式、压阻式和表面声波式等等。从测量维数来分，绝大多数为一维型，个别属二维型，极少数属三维型。1．常见的加速度传感器

如图5-14所示图中（a）是压阻式减速度传感器，（b）是电容式加速度传感器，（c）是压电式加速度传感器，（d）是应变式加速度传感器。图5-13常见的加速度传感器2．加速度传感器的分类

加速度传感器的类型相当繁多，根据被测对象的运动轨迹分类，可以分为直线型又称单维型、多维型、旋转型等。根据工作原理不同可以分为压电式、压阻式、电容式、伺服式等。3．加速度传感器的响应参数1）．有效响应effectiveresponse在传感器灵敏轴方向上，由输入的机械振动或冲击所引起的传感器的响应。这种响应是正确使用传感器进行测量，取得可靠数据所期望的。有效响应主要有：灵敏度；幅频响应和相频响应；非线性度。2）．乱真响应spuriousresponse在使用传感器测量机械振动或冲击时，由同时存在的其他物理因素所引起的传感器的响应。这种响应是干扰正确测量的，是不期望的。乱真响应主要有：温度响应；瞬变温度灵敏度；横向灵敏度；旋转运动灵敏度；基座应变灵敏度；磁灵敏度；安装力矩灵敏度；对特殊环境的响应。5．5项目评价1．6项目测试1．选择题（1）ADX345加速度传感器可以测量被测物体的静态重力加速度分量，分量为X轴、Y轴、Z轴，采用（

）形式输出各分量数据。A．模拟量B．数字量C．电容量D．电阻量（2）压电式加速度传感器又称压电加速度计。它属于惯性式传感器。它是利用石英晶体的（

）效应，被测加速度成的。A．光电B．惯性C．压电D．变阻2．填空题（1）加速度传感器的类型相当繁多，根据被测对象的运动轨迹分类，可以分为

、

、

。根据工作原理不同可以分为

、

、

、

等。（2）ADXL345内部首先由前端感应器感测

的大小