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液晶顯示所測數據。通過優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、電力系統監控以及建筑設計等各個行業的角度測量中。由于環境條件的干擾，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、壽命長等優點。其工作原理是通過ADXL345模塊檢測得到數據，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，并執行SLEEP指令。當RA2上電壓下降到低于VIL時，將產生中斷，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條件下，其穩定性可能受到影響。MCLR引腳上若出現低于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。它具有自動調節功耗功能，與輸出數據速率成比例，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數據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，低功耗模式的優勢從中可見。相對于正常功耗模式的數據速率，低功耗模式的數據速率并無任何優勢。
3 硬件與程序設計
3.1 硬件設計
?。?）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，再經穩壓管VD2穩壓給電容充電。
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。
?。?）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，從而實現對該芯片的設置和對檢測結果的數據讀取[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，任何已知狀態或默認狀態不存在。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。
?、确椒ǎ和ㄟ^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據值，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據如表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中的數據亦達到設計要求。
5 結論
經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。實現了實時數字顯示，功耗較低，能夠在實際的工業中有較廣的應用。
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. 一種高精度數字傾角測量系統的設計[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測系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用, 2013(3):71-74.