摘 要： 針對目前傾角測量儀測量精度差,、功耗較大等缺點,，設計了一種新型的傾角測量裝置。該低功耗傾角測量儀以PIC16F685單片機為主控芯片,，利用ADXL345數(shù)字式傳感器三軸加速度測速計測量傾角,，采用LCD液晶顯示所測數(shù)據(jù)。通過優(yōu)質算法使傾角測量儀的測量精度大大提高,，使精度誤差在±0.5°之內,，并且功耗較低，在實際應用中效果較好,。
關鍵詞： 傾角測量儀,；ADXL345,；PIC16F685
0 引言
隨著科技水平的提高,，機械產(chǎn)品需求越來越高，傾角測量儀越來越廣泛地應用于工程機械設計,、汽車電子設計,、水平測量、電力系統(tǒng)監(jiān)控以及建筑設計等各個行業(yè)的角度測量中,。由于環(huán)境條件的干擾,，對測量儀的要求越來越高，需要有較高的精度以及較強的抗干擾和抗沖擊能力,，并且需要結構簡單易用,。基于這種要求,，本文改進設計出了一種新型傾角測量儀器,。
1 系統(tǒng)概述
本設計主要由充電模塊、傾角測量儀模塊,、主控制電路模塊,、顯示模塊等幾部分組成。其中充電模塊由電容,、干電池等組成,，為測量傾角提供電源,；傾角測量儀模塊是由加速度傳感器ADXL345作為主要芯片的設計，主要用于測量傾角,；主控模塊采用了基于PIC16F685單片機為主芯片的設計,；顯示模塊采用LCD顯示模塊，可以清晰地顯示所測角度,。設計中軟硬件互相配合,，并采用各種保護和抗干擾技術，通過優(yōu)質算法使傾角測量儀的測量精度大大提高,，并且采用低功耗元器件使所需能耗大大降低,。
系統(tǒng)框架如圖1所示。采用PIC16F685[1]作為主控制器,具有低電壓啟動,、功耗低,、體積小、抗干擾性強等優(yōu)點,，且內置I2C模塊,，可大大簡化硬件電路和軟件編程。ADXL345[2]是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計,，分辨率高(13位),，測量范圍達±16 g，用其測量靜態(tài)重力加速度,。顯示器選用低功耗的段碼液晶,，具有低壓微功耗、外觀小巧精致,、顯示信息量大,、壽命長等優(yōu)點。其工作原理是通過ADXL345模塊檢測得到數(shù)據(jù),，通過接口傳送給單片機PIC16F685,，再把測量結果通過輸出接口傳送給LCD顯示。
2 理論分析與計算
2.1 傾角計算
在立體坐標軸情況下,，可在全球面范圍確定傳感器的方向,。可通過傳統(tǒng)的直角坐標(x,，y,，z)—球面(ρ，θ,，φ)轉換法來表征xy平面傾斜角θ及重力矢量傾斜角與各軸測得加速度之間的關系,。如以下二式[3]所示：
2.2 理論功耗分析
PIC16F685為采用納瓦技術的20引腳8位CMOS閃存單片機。待機電流： 2.0 V時,，典型值為1 nA,；工作電流：32 kHz,、2.0 V時，典型值為20 μA,；4 MHz,、5.5 V 時，典型值< 1 mA,；看門狗定時器電流：2.0 V時,，典型值< 1 μA。
RA2上的超低功耗喚醒（ULPWU）功能允許緩慢下降的電壓能夠在RA2上產(chǎn)生電平變化中斷,，同時不消耗很大的電流,。將ULPWUE 位（PCON<5>）置1將選取超低功耗喚醒模式。這將產(chǎn)生一個小的灌電流,，可用來對RA2上電容器進行放電,。將ULPWUE位置1 以開始放電，并執(zhí)行SLEEP指令,。當RA2上電壓下降到低于VIL時,，將產(chǎn)生中斷，將器件喚醒,。該功能提供了一種周期性將器件從休眠中喚醒的低功耗方法,。休眠時間取決于RA2上RC電路的放電時間。
如果運行條件超過了“絕對極限參數(shù)值”（總功耗：800 mw）,，即可能對器件造成永久性損壞,。器件長時間工作在絕對極限參數(shù)條件下，其穩(wěn)定性可能受到影響,。MCLR引腳上若出現(xiàn)低于VSS的尖峰電壓,，感應電流超過80 mA,，可能導致閉鎖[4],。因此，在MCLR 引腳上施加低電平時,，應使用一個50~100 Ω的串聯(lián)電阻,，而不是將該引腳直接與VSS 連接。
功耗計算公式為：
PDIS = VDD × {IDD - Σ IOH} +
Σ {(VDD - VOH) × IOH} +
Σ(VOL × IOL)
ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計,，分辨率高(13位),，測量范圍達±16 g。它具有自動調節(jié)功耗功能,，與輸出數(shù)據(jù)速率成比例,，如表1所示。如果需要額外省電,，可采用低功耗模式,。該模式下,，內部采樣速率降低，12.5 Hz~400 Hz數(shù)據(jù)速率范圍內達到省電目的,，而噪聲略微變大,。要進入低功耗模式，在BW_ RATE寄存器(地址0x2C)中設置LOW_POWER位(位4),。表2為低功耗模式下的功耗,，低功耗模式的優(yōu)勢從中可見。相對于正常功耗模式的數(shù)據(jù)速率,，低功耗模式的數(shù)據(jù)速率并無任何優(yōu)勢,。
3 硬件與程序設計
3.1 硬件設計
（1）主電路電氣原理圖如圖2所示,。
?。?）電容充電裝置電路圖如圖3所示。開關S閉合電池對電容C1充電,，當C1電壓達到一定電壓值時,，使VT1、VT2導通,，此時C1通過R1,、R2、VT2放電,，當C1電壓降到一定電壓值時,，VT1、VT2截止,，電池再對C1充電,，如此重復形成高頻電，通過升壓變壓器升壓后整流輸出，再經(jīng)穩(wěn)壓管VD2穩(wěn)壓給電容充電。
3.2 軟件流程圖與程序設計
?。?）本設計的軟件流程圖如圖4所示,。
（2）程序設計
PIC16F685通過I2C方式對ADXL345芯片的內部寄存器進行讀寫操作，從而實現(xiàn)對該芯片的設置和對檢測結果的數(shù)據(jù)讀取[3]。
I2C通信模式電路連接圖如圖5所示，CS引腳拉高至VDD I/O,，ADXL345處于I2C模式，需要簡單2線式連接,。ALT ADDRESS引腳處于高電平,，器件的7位I2C地址是0x1D，隨后為R/W位。這轉化為0x3A寫入,，0x3B讀取,。通過ALT ADDRESS引腳(引腳12)接地，可以選擇備用I2C地址0x53(隨后為R/W位),。這轉化為0xA6寫入,，0xA7讀取。對于任何不使用的引腳,，沒有內部上拉或下拉電阻,，因此，CS引腳或ALT ADDRESS引腳懸空或不連接時,，任何已知狀態(tài)或默認狀態(tài)不存在,。使用I2C時，CS引腳必須連接至VDD I/O,，ALT ADDRESS引腳必須連接至任一VDD I/O或接地,。
4 系統(tǒng)測試
4.1 測試方案
⑴目的：傾角變化時,，能夠達到設計要求,，測量斜面傾角，范圍為0°~ 90°,。
?、骗h(huán)境：日常情況，斜面傾角改變,。
?、窃O備：木板、電解電容,、傾角測量裝置,。
⑷方法：通過自制充電裝置給電解電容充電,，然后電容給傾角測量儀供電,；將傾角測量儀放在斜面上固定，手動控制木板變化,，顯示器件自動顯示不同數(shù)據(jù)值,，測量斜面傾斜角度。
4.2 測試結果及分析
?。?）傾角改變而測量儀在斜面上固定時，實測角度和沿x軸,、y軸,、z軸方向上的分量顯示結果如表3所示。
（2）傾角固定而測量儀在斜面上旋轉時,，實測角度和沿x軸,、y軸、z軸方向上的分量測得一組數(shù)據(jù)如表4所示,。
利用絕對誤差和相對誤差公式：
計算表3中的平均絕對誤差為0.4°,，平均相對誤差值為0.88%，達到設計要求,。同理可計算表4中的數(shù)據(jù)亦達到設計要求,。
5 結論
經(jīng)過試驗測試分析表明，設計的傾角測量儀能夠達到精度要求,，并且能夠滿足實際的需求,。實現(xiàn)了實時數(shù)字顯示，功耗較低,，能夠在實際的工業(yè)中有較廣的應用,。
參考文獻
[1] 姚曉通. 輕松玩轉PIC單片機C語言[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2011.
[2] ADI.ADXL345:3-Axis.,±2g/±4g/±8g/16g數(shù)字加速度計[DB/OL].[2014-04-15]http://www.analog.com/zh/mems-sensors/mems-inertial-sensors/adxl345/products/product.html.
[3] Christopher J. Fisher. 利用加速度計進行傾斜檢測[DB/OL].(2010)[2014-04-15] http://www.analog.com.
[4] 邱仁峰，胡曉東. 一種高精度數(shù)字傾角測量系統(tǒng)的設計[J]. 電子技術應用, 2005,31(6):38-41.
[5] 花鵬. 基于三軸加速度計的腕式健康監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2013(3):71-74.