基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，属于角度测量技术领域，为了便于实现对平面倾斜角度的自动、准确的测量，本实用新型专利技术设计了一种基于高精度双轴倾角传感器SCA100T‑D02的平面倾角测量系统。根据倾角传感器的测量原理及其功能、特性，给出了双轴倾角的数学计算模型和温度补偿方法。由倾角传感器输出测量数据，单片机根据数学计算模型和温度补偿方法计算倾角数值，并经过PID滤波，在显示屏显示时间和倾角信息。系统可由太阳能供电，带有通信模块，可用于自动控制、姿态监测等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统
本技术涉及一种角度测量系统，属于角度测量
，具体涉及一种基于双轴倾角测量的平面倾角测量系统。
技术介绍
平面倾斜度测量是角度测量的重要应用方向。随着生产和科学的不断发展，平面的倾斜度测量越来越广泛地被应用于机械、光学、航空、航天和航海等各个领域。目前，常用沿两个相互正交方向的倾斜角来定量描述平面倾斜度。然而，由于现有的倾斜仪的一个共同特点是只能测量一个方向的倾斜角，因此需要两两组合才能完整测量平面的倾斜度。由平面倾斜度的定量描述可知，需要在工装上保证两个倾斜仪相互之间正交，才能准确获取平面倾斜度，然而保证两个倾斜仪相互之间正交在精密测量中是非常难做到的。此外，现有的倾斜仪大多采用重力摆结构，这种结构对测量样品姿态有一定的要求，并且摆动结构达到平衡需要一定时间，从而限制了测量速度，难以满足实时、快速和自动化测量场合的要求。
技术实现思路
针对上述问题，本技术旨在提供一种基于高精度双轴倾角传感器SCA100T-D02(以下简称SCA100T)的平面倾角测量系统，根据倾角传感器的测量原理及其功能、特性，给出了双轴倾角的数学计算模型和温度补偿方法。由倾角传感器输出测量数据，单片机根据数学计算模型和温度补偿方法计算倾角数值，并经过PID滤波，在显示屏显示时间和倾角信息。为解决上述问题，本技术采用如下的技术方案。一种基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，包括数据处理模块以及与所述数据处理模块分别相连的供电模块、数据测量模块、通信模块和人机交互模块，所述数据测量模块的测量数据输送至所述数据处理模块，所述数据处理模块根据当前数据进行温度补偿，并将最终结果通过所述通信模块传送至所述人机交互模块，所述供电模块为所述平面倾角测量系统供电。更进一步地，所述人机交互模块包括按键和LCD屏，所述按键用于设置系统参数，所述LCD屏用于显示测量角度数据。更进一步地，所述数据处理模块采用MSP430F169单片机。更进一步地，还包括存储器，所述存储器为AT24C04存储器，所述存储器采用两线串行的总线与所述数据处理模块连接。更进一步地，所述通信模块采用SIM900A芯片。更进一步地，所述数据测量模块采用SCA100T双轴倾角传感器。更进一步地，所述供电模块包括3.7V可充电锂电池、充电管理控制器MCP73831和肖特基二极管，所述充电管理控制器MCP73831与所述可充电锂电池连接，用于通过检测锂电池电压来判断当前充电阶段，从而控制充电电压和电流，所述肖特基二极管与所述充电管理控制器MCP73831连接，用于限制电流方向，防止所述充电管理控制器MCP73831对电池电压产生误判。相比于现有技术，本技术的有益效果为：本技术克服了传统倾角测量仪读数慢、精度低的问题，并实现自动化的实时测量，可以实现对物体平面倾角的监测。本系统的硬件电路采用PCB沉金工艺、LCD数字显示、锂电池充电管理电路等，具有体积小、可现太阳能供电、方便携带、性能稳定的优点，系统采用温度补偿、软件滤波提高了测量的准确度和稳定度，具有重要的现实意义和实用价值。附图说明图1为本技术的平面倾角测量原理图；图2为本技术的系统结构框图；图3为本技术的MSP430最小系统；图4为本技术的SCA100T传感器电路；图5为本技术的GSM通信电路；图6为本技术的充电管理电路；图7为本技术的EEPROM和时钟电路；图8为本技术的LCD电路；图9为本技术的PID控制系统原理图；图10为本技术的PID算法流程图；图11为本技术的主程序流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本技术进行详细描述。实施例1(1)数学计算模型SCA100T是基于MEMS工艺的传感器，其角度测量的原理是将测量的加速度转化为倾角变化量。SCA100T的硅电容感应元件由3层硅片构成，形成立体结构，当发生倾斜时，中间质量片会倾向某一侧，从而使两侧的电容发生变化。并通过电压值可反映相应的加速度值，进而可计算角度值。平面倾角测量原理如图1所示，图(a)为平面水平放置时，重力加速度矢量方向与Z轴重合，平面倾角为0°；图(b)为平面以X轴为转轴倾斜一定角度时，由于倾斜过程中，重力加速度矢量方向与Z轴存在一定夹角，即为平面倾斜角度，g表示重力加速度。SCA100T采用数字测量时，由SPI输出11位数据格式的数字量，并且存储在SCA100T芯片的RDAX和RDAY数据寄存器中，数据范围是0～2048。输出数字量与倾斜角度的对应关系满足函数：式1中，D0°为基础数值，表示倾角为0°时的D0数字输出量，取值为-1024LSB；S为芯片灵敏度常量，其值为819LSB/g。平面以X、Y轴为转轴倾斜的测量原理和方法是一样的，并且适用于以X、Y轴为旋转轴同时旋转的情况，可由SCA100T芯片的SPI数据输出口输出测量数据Dox、Doy，进而分别计算出αX和αY。(2)温度补偿因为环境温度的变化会造成芯片灵敏度S的偏移，故为提高测量精度，有必要进行温度补偿。SCA100T有一个自带的内在温度传感器，可以对工作环境温度T进行实时测量。与工作环境温度T对应的数据量R，可以通过SPI进行存取，是一个8bit的数据，其范围为(0～255)。工作环境温度T表示为式2：由环境温度T补偿测量倾斜角度α，是通过修正芯片灵敏度S实现的。为了得到修正后的芯片灵敏度S′，先由二阶多项式拟合曲线方程计算灵敏度补偿参数Sc(见式3)。Sc＝-0.00011T2+0.0022T+0.0408(3)再由灵敏度补偿参数Sc，计算补偿修正的芯片灵敏度S′，见式4：因此，将S′代替式(1)中的S，即可实现温度补偿，得到更准确的倾斜角度α。本实施例的系统结构框图如图2所示，包括以下几个部分：SCA100T高精度双轴倾角传感器模块，通信模块，按键、LCD屏模块，锂电池充电管理模块，主控芯片MSP430F169和AT24C04存储器。传感器模块、通信模块、按键、LCD屏模块、锂电池充电管理模块和AT24C04存储器分别和MSP430单片机相连。单片机实时读出双轴倾角传感器模块检测的角度值，在角度变化时，SIM900A将最新角度信息发送至绑定用户端；按键、LCD屏模块分别用于设置系统参数和显示测量角度数据；锂电池充电管理模块用于储存太阳能板转换的电量，监测电池的电压、电流，防止过冲、过放。系统采用TI公司生产的16位超低功耗微控制器MSP430F169为主控芯片，MSP430单片机最小系统如图3所示。传感器模块采用SCA100T双轴倾角传感器，它是基于3D-MEMS的高精度双轴倾角传感器芯片，提供了水平测量仪表级别的性能。SCA100T-D02传感器具有±90°的量程，数字量输出灵敏度达到819LSB/g。MSP430F169通过SPI协议与SCA100T芯片进行串行通信，MSP430F169的P1.0～P1.3分别连接CLK、MISO、MOSI、CSB。其中，CLK输入时钟信号，CSB为低电平有效的片选信号，MISO和MOSI分别为数据输出端和控制信号输入端。其电路连接如图4所示。当测量的倾角变化时，通信电路可以及时把测量的最新倾角数值发送到绑定用户端。通信电路采用GSM通信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，其特征在于，包括数据处理模块以及与所述数据处理模块分别相连的供电模块、数据测量模块、通信模块和人机交互模块，所述数据测量模块的测量数据输送至所述数据处理模块，所述数据处理模块根据当前数据进行温度补偿，并将最终结果通过所述通信模块传送至所述人机交互模块，所述供电模块为所述平面倾角测量系统供电。

【技术特征摘要】
1.一种基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，其特征在于，包括数据处理模块以及与所述数据处理模块分别相连的供电模块、数据测量模块、通信模块和人机交互模块，所述数据测量模块的测量数据输送至所述数据处理模块，所述数据处理模块根据当前数据进行温度补偿，并将最终结果通过所述通信模块传送至所述人机交互模块，所述供电模块为所述平面倾角测量系统供电。2.根据权利要求1所述的基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，其特征在于，所述人机交互模块包括按键和LCD屏，所述按键用于设置系统参数，所述LCD屏用于显示测量角度数据。3.根据权利要求1或2所述的基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，其特征在于，所述数据处理模块采用MSP430F169单片机。4.根据权利要求3所述的基于双轴倾角检测的平面倾角测量系统，其特征在于，还包括存储器，所述存储器...

【专利技术属性】
技术研发人员：张秀再，王玮蔚，孔明昊，于子涵，庄玲，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32