论文部分内容阅读
摘 要：角度的测量应经应用到很多方面。例如：无人机（植保机，穿越机等），农业机械，轮船，汽车，自动售货机，机器人，太阳能电站。也就是说角度的测量对于我们的生活还是科研都有应用，同时也体现出角度测量的重要性。现在工业上测量角度的仪器有电子罗盘，NAL24R激光水准仪，DSO3高精度水准仪等。现在我为大家提供一个简单，便宜的方法，那就是使用加速度計ADXL345+水银开关测量角度的方法。
关键词：角度测量；加速度计；水银开关
ADXL345是ADI公司于2008年推出的采用MEMS技术具有SPI和I2C数字输出功能的三轴加速度计，具有小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点：它只有3 mm×5 mm×1 mm的外形尺寸，面大小相当于小拇指指甲盖的1/3；在典型电压VS=2.5 V时功耗电流约为25～130μA，比先期采用模拟输出的产品ADXL330功耗典型值低了约70～175μA；最大量程可达±16 g，另可选择±2、±4、±8 g量程，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，该分辨率可测得0.25的倾角变化[1]。
ADXL345提供一些特殊的运动侦测功能，可侦测出物体是否处于运动状态，并能敏感出某一轴向加速度是否超过了用户自定义门限，可侦测物体是否正在跌落。此外，还集成了一个32级FIFO缓存器，用来缓存数据以减轻处理器的负担。ADXL345可在倾斜敏感应用中测量静态重力加速度，也可在运动甚至振动环境中测量动态加速度，非常适合于移动设备应用，可望在手机、游戏和定位设备、微小型导航设备、硬盘保护、运动健身器材、数码照相机等产品中得到广泛应用。ADXL345 丰富的功能是通过使用寄存器来实现的。这些丰富的寄存器，用以选择数据格式、FIFO工作模式、数字通信模式、节电模式、中断使能以及修正各轴偏差等等[2]。
常用的寄存器有：
（1）POWER_CTL，用来设定供电模式，与BW_RATE配合，可设定数据率，默认值为100Hz。ADXL345正常供电情况下，能根据输出数据率大小自动调节其功耗。如果要进一步降低功耗，将BW_RATE寄存器中的LOW_POWER位置位，进入低功耗模式。
（2）DATA_FORMAT，该寄存器的设置影响着DATAX0DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1数据寄存器中的数据格式。DATA_FORMAT该8位寄存器可控制6项设置， 通过设置SPI位可设定SPI是采用3线还是4线接口模式，FULL_RES位与RANGE位，用于设定加速度量程和对应的分辨率模式，SELF_TEST位用于自检[ ]。
（3）FIFO_CTL，设置缓存器具体的工作模式，比如Bypass、FIFO、Stream、Trigger模式，各种模式区别如下：在Bypass 模式中，FIFO 缓存器是退化的，仅FIFO[0]存储一次采样结果，无论是否被读取，新数据到来时将旧数据覆盖；在FIFO 模式中，FIFO 缓存器不停地收集数据直到缓存器满，此时如果没有及时读数据，新到样本数据将被丢弃，而当FIFO 被读取后，它将继续收集新到数据；在Stream模式中，FIFO缓存器不停地收集數据，当缓存器满，自动丢弃FIFO[0]，其他样本值向前移位填充，最新数据填入FIFO[31]；在Trigger模式中，FIFO 开始工作与Stream 模式类似，收集样本值直到FIFO缓存器满，然后丢弃最旧的数据，一旦触发事件发生（由FIFO_CTL寄存器中TRIG_SOURCE位所定义），FIFO将保留最后n采样值（其中n在FIFO_CTL寄存器中指定），然后像FIFO模式一样运行，即FIFO不满时，继续收集新的样本值。
（4）INT_MAP、INT_ENABLE，ADXL345为事件驱动提供两个中断输出引脚：INT1、INT2。所有的中断功能，例如DATA_READY、FREE_FALL、OVERRUN等等，均可同时使用，唯一的限制是有一些功能可能会共享中断引脚。
（5）OFSX、OFSY、OFSZ，用来存放标定的X、Y、Z轴的偏移量，初始化传感器时使用
在有些领域也用到加速度计ADXL345测量角度，在静态测量角度时，只用加速度计ADXL345就可以了。但是在动态测量中，只用加速度计是不行的。这就要分析静态 下，使用加速度计ADXL345测量角度的原理了。
静态下加速度计ADXL345测量角度的原理：（加速度计的Z轴与重力方向平行，X轴由水平匀速转动到某个角度，待加速度计稳定后，开始测量角度）使加速度计仅在重力的作用下根据正切关系和X轴上加速度的正负通过算法来计算X轴旋转的方向至于角度是在测得转向后再通过算法算出角度。测出的角度有正负之分，这与加速度计X轴转动方向有关，不同的转向对应的算法是不用的。但是这种方法成立的关键是重力的方向始终一定，即竖直向下。这样旋转角的正负才有一个基准，即重力的方向。只有弄清正负即转动方向才能正确的选择算法，这样算出的角度才是真值[ ]。
但是在动态测量角度（角度是不断变化的）时，会有其他因素影响角度的测量。例如测量车辆在爬坡时的角度变化：车辆在爬坡时在行进方向的加速度不是常量。由于有额外的加速度，在使用上述的方法就行不同了，因为X方向上的值是重力和车子加速度的合矢量，算出的旋转角就和真正值有很大的偏差。（加速度计ADXL345的Z轴与重力方向平行，X轴与车辆前进方向平行。）
综上，在动态测量角度时会以为有车辆的加速度的存在，使得加速度计不是在仅受重力的情况下测量动态角度的，以至于加速度计ADXL345不能正确的转向，只要我们将车辆转向通过其他装置测得，在应用相对应的算法就可以得到车辆正确的转动角度。
正确测量转向是准确测量动态角度的关键。对于转向的测量我们可以用到水银开关。水银开关水银开关，又称倾侧开关，是电路开关的一种，以一接着电极的小巧容器储存着一小滴水银，容器中多数为真空或注入惰性气体。 水银开关的原理：
因为重力的关系，水银水珠会向容器中较低的地方流去，如果同时接触到两个电极的话，开关便会将电路闭合，开启开关。容器的形状亦会影响水银水珠接触电极的条件，例如邮包炸弹使用的会是倒 V 字型的，令收件人在不知情的情况下倾侧邮包，闭合电路，制动爆炸，但送件人（或是邮包携带者或制造者）则不会。注意：水银对人体及环境均有毒害，因此使用水银开关时，请务必小心谨慎，以免破出；在不再使用时，也应该妥善处理。
采用两个水银开关，分别倾斜的放在以加速度计为中心X轴和Z轴组成坐标系的三四象限，当加速度计水平放置时，水银开关都不会处于开启状态，当加速度计向X轴正向旋转是，一个水银开关开启（另一个水银开关闭合）；当加速度计向X轴负向旋转时，另一个开关开启，这样我们将两个水银开关的一端接入高电平，另一端分别接入不同的测量口，这样我们就可以根据这两个输入口不同的高低电平组合，就可以准确测得转向。
角度的测量：
通过水银开关测出被测物的旋转方向，在根據加速度计测出三个方向的加速度，我们利用三角函数关系就可以计算出被测物当前位置相对于竖直方向的夹角大小和方向，这样我们就可以正确测出被测物每一时刻的动态角度。再通过显示装置就可以显示出来。
参考文献：
[1]鄭长勇，陈军宁.一种新型MEMS加速度计温度补偿方法研究[J].传感技术学报，2015（1）：39-42.
[2]袁西.陈栋.田湘.等.三轴数字加速度计ADXL345及其在捷联惯导中的应用[J].电子设计工程，2010，18（3）：138-140.
[3]邓亚军.成守冲.微小型加速度计的精密装配及影响性能的因素研究[J].工程技术：文摘版：00099-00099.
[4]宋振.高国伟.多传感器融合在倾角测量抗振动中的应用[J].传感器世界，2014，20（5）：14-19.
作者简介：
昝鹭鸶；1995年11月18日；男；汉族；天津市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；
肖长天；1997年7月4日；男；汉族；湖北省人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；
刘超峰；1996年2月1日；男；汉族；河南人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；
胡继煌；1996年11月17日；男；汉族；湖南人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；
关键词：角度测量；加速度计；水银开关
ADXL345是ADI公司于2008年推出的采用MEMS技术具有SPI和I2C数字输出功能的三轴加速度计，具有小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点：它只有3 mm×5 mm×1 mm的外形尺寸，面大小相当于小拇指指甲盖的1/3；在典型电压VS=2.5 V时功耗电流约为25～130μA，比先期采用模拟输出的产品ADXL330功耗典型值低了约70～175μA；最大量程可达±16 g，另可选择±2、±4、±8 g量程，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，该分辨率可测得0.25的倾角变化[1]。
ADXL345提供一些特殊的运动侦测功能，可侦测出物体是否处于运动状态，并能敏感出某一轴向加速度是否超过了用户自定义门限，可侦测物体是否正在跌落。此外，还集成了一个32级FIFO缓存器，用来缓存数据以减轻处理器的负担。ADXL345可在倾斜敏感应用中测量静态重力加速度，也可在运动甚至振动环境中测量动态加速度，非常适合于移动设备应用，可望在手机、游戏和定位设备、微小型导航设备、硬盘保护、运动健身器材、数码照相机等产品中得到广泛应用。ADXL345 丰富的功能是通过使用寄存器来实现的。这些丰富的寄存器，用以选择数据格式、FIFO工作模式、数字通信模式、节电模式、中断使能以及修正各轴偏差等等[2]。
常用的寄存器有：
（1）POWER_CTL，用来设定供电模式，与BW_RATE配合，可设定数据率，默认值为100Hz。ADXL345正常供电情况下，能根据输出数据率大小自动调节其功耗。如果要进一步降低功耗，将BW_RATE寄存器中的LOW_POWER位置位，进入低功耗模式。
（2）DATA_FORMAT，该寄存器的设置影响着DATAX0DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1数据寄存器中的数据格式。DATA_FORMAT该8位寄存器可控制6项设置， 通过设置SPI位可设定SPI是采用3线还是4线接口模式，FULL_RES位与RANGE位，用于设定加速度量程和对应的分辨率模式，SELF_TEST位用于自检[ ]。
（3）FIFO_CTL，设置缓存器具体的工作模式，比如Bypass、FIFO、Stream、Trigger模式，各种模式区别如下：在Bypass 模式中，FIFO 缓存器是退化的，仅FIFO[0]存储一次采样结果，无论是否被读取，新数据到来时将旧数据覆盖；在FIFO 模式中，FIFO 缓存器不停地收集数据直到缓存器满，此时如果没有及时读数据，新到样本数据将被丢弃，而当FIFO 被读取后，它将继续收集新到数据；在Stream模式中，FIFO缓存器不停地收集數据，当缓存器满，自动丢弃FIFO[0]，其他样本值向前移位填充，最新数据填入FIFO[31]；在Trigger模式中，FIFO 开始工作与Stream 模式类似，收集样本值直到FIFO缓存器满，然后丢弃最旧的数据，一旦触发事件发生（由FIFO_CTL寄存器中TRIG_SOURCE位所定义），FIFO将保留最后n采样值（其中n在FIFO_CTL寄存器中指定），然后像FIFO模式一样运行，即FIFO不满时，继续收集新的样本值。
（4）INT_MAP、INT_ENABLE，ADXL345为事件驱动提供两个中断输出引脚：INT1、INT2。所有的中断功能，例如DATA_READY、FREE_FALL、OVERRUN等等，均可同时使用，唯一的限制是有一些功能可能会共享中断引脚。
（5）OFSX、OFSY、OFSZ，用来存放标定的X、Y、Z轴的偏移量，初始化传感器时使用
在有些领域也用到加速度计ADXL345测量角度，在静态测量角度时，只用加速度计ADXL345就可以了。但是在动态测量中，只用加速度计是不行的。这就要分析静态 下，使用加速度计ADXL345测量角度的原理了。
静态下加速度计ADXL345测量角度的原理：（加速度计的Z轴与重力方向平行，X轴由水平匀速转动到某个角度，待加速度计稳定后，开始测量角度）使加速度计仅在重力的作用下根据正切关系和X轴上加速度的正负通过算法来计算X轴旋转的方向至于角度是在测得转向后再通过算法算出角度。测出的角度有正负之分，这与加速度计X轴转动方向有关，不同的转向对应的算法是不用的。但是这种方法成立的关键是重力的方向始终一定，即竖直向下。这样旋转角的正负才有一个基准，即重力的方向。只有弄清正负即转动方向才能正确的选择算法，这样算出的角度才是真值[ ]。
但是在动态测量角度（角度是不断变化的）时，会有其他因素影响角度的测量。例如测量车辆在爬坡时的角度变化：车辆在爬坡时在行进方向的加速度不是常量。由于有额外的加速度，在使用上述的方法就行不同了，因为X方向上的值是重力和车子加速度的合矢量，算出的旋转角就和真正值有很大的偏差。（加速度计ADXL345的Z轴与重力方向平行，X轴与车辆前进方向平行。）
综上，在动态测量角度时会以为有车辆的加速度的存在，使得加速度计不是在仅受重力的情况下测量动态角度的，以至于加速度计ADXL345不能正确的转向，只要我们将车辆转向通过其他装置测得，在应用相对应的算法就可以得到车辆正确的转动角度。
正确测量转向是准确测量动态角度的关键。对于转向的测量我们可以用到水银开关。水银开关水银开关，又称倾侧开关，是电路开关的一种，以一接着电极的小巧容器储存着一小滴水银，容器中多数为真空或注入惰性气体。 水银开关的原理：
因为重力的关系，水银水珠会向容器中较低的地方流去，如果同时接触到两个电极的话，开关便会将电路闭合，开启开关。容器的形状亦会影响水银水珠接触电极的条件，例如邮包炸弹使用的会是倒 V 字型的，令收件人在不知情的情况下倾侧邮包，闭合电路，制动爆炸，但送件人（或是邮包携带者或制造者）则不会。注意：水银对人体及环境均有毒害，因此使用水银开关时，请务必小心谨慎，以免破出；在不再使用时，也应该妥善处理。
采用两个水银开关，分别倾斜的放在以加速度计为中心X轴和Z轴组成坐标系的三四象限，当加速度计水平放置时，水银开关都不会处于开启状态，当加速度计向X轴正向旋转是，一个水银开关开启（另一个水银开关闭合）；当加速度计向X轴负向旋转时，另一个开关开启，这样我们将两个水银开关的一端接入高电平，另一端分别接入不同的测量口，这样我们就可以根据这两个输入口不同的高低电平组合，就可以准确测得转向。
角度的测量：
通过水银开关测出被测物的旋转方向，在根據加速度计测出三个方向的加速度，我们利用三角函数关系就可以计算出被测物当前位置相对于竖直方向的夹角大小和方向，这样我们就可以正确测出被测物每一时刻的动态角度。再通过显示装置就可以显示出来。
参考文献：
[1]鄭长勇，陈军宁.一种新型MEMS加速度计温度补偿方法研究[J].传感技术学报，2015（1）：39-42.
[2]袁西.陈栋.田湘.等.三轴数字加速度计ADXL345及其在捷联惯导中的应用[J].电子设计工程，2010，18（3）：138-140.
[3]邓亚军.成守冲.微小型加速度计的精密装配及影响性能的因素研究[J].工程技术：文摘版：00099-00099.
[4]宋振.高国伟.多传感器融合在倾角测量抗振动中的应用[J].传感器世界，2014，20（5）：14-19.
作者简介：
昝鹭鸶；1995年11月18日；男；汉族；天津市人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；
肖长天；1997年7月4日；男；汉族；湖北省人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；
刘超峰；1996年2月1日；男；汉族；河南人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；
胡继煌；1996年11月17日；男；汉族；湖南人；职称：学生；单位：郑州大学；专业：机械工程；