MEMS无线数显角度测量仪设计*

何荣华， 张大兵， 彭望龙

(湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭 411105)

MEMS无线数显角度测量仪设计*

何荣华， 张大兵， 彭望龙

(湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭 411105)

针对双轴或单轴高精度角度测量的工况需要，采用8位单片机为主控芯片，高精度数字MEMS为传感器芯片设计了一种体积小、功耗低的无线数显角度测量仪。远端上位机通过ZigBee无线模块对测量仪进行操作和三维显示，同时集成OLED屏可就地显示测量数据。具有双轴±90°倾角测量和单轴绝对式0°～360°转角测量功能。测试结果表明：该测量仪测量精度为0.1°，具有较高的推广应用价值。

MEMS传感器； ZigBee无线模块； 角度测量； 虚拟仪器

0 引 言

角度测量仪可广泛应用于建筑、道路、桥梁和地质勘探等重力参考系下的倾角和转角测量，也是许多工业设备的一个重要组成部分，精确的测量角度对这些工业设备的正常运行具有重要意义。MEMS技术是一种新兴的技术，它将集成电路与机械装置集成于一个芯片中，与传统的机电系统相比，其体积小、功耗和成本低。吴晓鹏等人[1]基于ADI公司MEMS惯性传感器ADIS16209芯片设计了双轴倾角测量仪，与Crossbow Technology公司的高精度测量仪AHRS得到的结果进行比较分析，测量误差在1°以内，分析原因认为是没有进行滤波降噪处理；梁应选[2]采用单片机为主控单元，增量式编码器为前端传感器，外加中间四细分辨相处理电路设计出了精度为0.25°的转角测量系统；光电编码器和光栅角度传感器价格高，耐振和耐冲击性能较差，受环境因素影响较大[3]；刘建航[4]以PIC16F685单片机为主控芯片,利用ADXL345数字式传感器三轴加速度测速计测量倾角，精度误差在±0.5°之内，由此可看出,以上两种倾角测量仪精度都不太高，难以满足高精度测量要求。

在实际应用中，由于环境原因，很多测量现场不方便布线，使测量数据很难获得，因此,通过低成本高可靠性的无线通信技术获得测量数据具有很大的实用价值。ZigBee技术是一种应用于中等距离范围内低传输数据速率下电子设备之间的无线通信技术[5]，依靠ZigBee技术可实现低成本、低功耗、低复杂度和高可靠性的无线通信网络的组建。

本文将结合MEMS技术、ZigBee技术和LabVIEW软件设计一种无线数显角度测量仪，不但能实现±90°测量范围内的双轴测量，还能实现0°～360°的绝对转角测量，且均能达到0.1°的测量精度，其次还能进行加速度测量，具有多功能特点。所有测量值均可就地在OLED显示屏上显示，还能通过ZigBee无线模块传输至上位机实现图形和数字显示，最后通过实验验证了该测量仪的测量精度。

1 系统总体设计

如图1，无线数显角度测量仪主要由MEMS传感器、单片机、OLED显示屏、CC2530无线模块和上位机共五部分组成。角度测量采用美国ADI(亚德诺)公司的ADIS16209型 MEMS传感器芯片，测量值通过SPI串行接口输出数字信号，具有双轴和单轴测量两种工作模式，双轴测量时的测量范围是±90°，单轴测量的测量范围为±180°，采用此模式可实现0°～360°的转角测量，角度测量精度为0.1°，其次，还可实现加速度和内部温度测量功能，加速度测量范围为±1.7gn，额定温度范围为-40～+125 ℃[5]。该器件功能完整，灵敏度、采样速率、带宽和报警阈值均支持数字编程，还包括一个12位辅助数模转换器、2.5 V精密基准电压、数字自测功能和可编程电源管理等功能。采用3.0～3.6 V的单电源供电，快速模式下功耗为36 mA，标准模式下为11 mA，休眠模式下为140 μA[6]。该器件具有精度高、功耗低和容易实现系统集成等优点。采用英飞凌公司型号为SAK—XC886—8FFA的8位单片机作为系统的数据处理单元，实现数据采集、处理、输出和显示等功能。使用 OLED屏显示双轴测量模式下的x和y轴倾角测量值和单轴测量模式下的绝对转角测量值。无线模块采用TI公司的CC2530芯片作为无线模块核心芯片，完成将单片机处理后的数据发送至上位机的功能。CC2530具有强大的RF性能，可编程的256 KB闪存，更小的封装尺寸和IR产生电路，支持ZigBee PRO,ZigBee RF4CE等协议，所设计的传感器节点在空旷地区传输距离可达400 M以上[7]。

图1 系统总体结构框图

1.1 系统硬件设计

硬件系统采用模块化设计，主要由电源模块、单片机控制模块、显示模块和无线收发模块构成。因所用芯片的供电电压均为3.3 V，为便于安装和携带方便，系统采用单节18650锂电池作为电源并集成充电模块，可方便充电。正常工作时锂电池输出电压会由4.2 V逐渐变化到低于3 V，为使系统稳定工作，在此选用AMS1171—3V3稳压芯片给各芯片稳定供电，该芯片具有低功耗特点。采用SAK—XC886—8FFA芯片的最小系统构成单片机控制模块。为降低功耗，延长系统工作时间，显示模块使用0.96 in(1 in=2.54 cm)白色128×64 OLED液晶屏，其显示效果好，辨识度高。采用CC2530芯片构建无线收发模块，并使用串口与单片机进行数据通信，波特率为9 600 bps；为缩小体积，将天线印制在PCB上。测量仪实物见图2。

图2 测量仪实物图

1.2 系统软件设计

系统上电之后SAK—XC886—8FFA单片机先完成初始化设置，然后通过SPI接口与ADIS16209传感器建立通信连接，在默认的角度测量模式下读取x和y轴倾角以及绝对转角信号，角度信号通过CC2530无线模块发送给上位机，同时还可通过OLED屏就地显示。当在上位机中选择加速度测量模式后，单片机则读取X轴和Y轴的加速度信号并关闭OLED屏，然后由无线模块将加速度信号发送至上位机。为实现串口通信，需将数据进行打包发送，数据包格式见表1。

表1 串口通信数据包格式

在上位机软件中，采用生产者—消费者循环结构，生产者循环中完成对串口数据包的解析，在消费者循环中完成数据的处理，并设置事件结构实现测量模式的选择。为更直观地显示被测物体的姿态，将.wrl格式的三维模型加载到三维图片控件中，并将角度数据传给三维模型，实现被测物体姿态的实时显示。图3为软件流程图，图4为上位机操作和显示界面。

图3 下位机和上位机软件流程图

图4 上位机操作和显示界面

2 测量仪精度测试实验

为检验角度测量仪的精度，使用上海台工机床有限公司生产的F11100A型万能分度头分别对x和y轴倾角及360°绝对转角进行角度精度测试，分度手柄转一圈时主轴旋转9°，其分度误差为45"，精度高于0.1°，因此，可以作为测量基准对测量仪进行精度测试。对x轴倾角进行精度测试的安装方式如图5所示。

图5 x轴精度测试实验

测量时先调节分度头和底座使测量仪x轴和y轴输出角度为0°，然后转动分度头手轮，使其旋转一周，这时主轴回转角度为9°，记录下测量仪输出角度。经多次实验得到的测量结果见表2、表3。

表2 x轴和y轴角度测试结果 (°)

表3 0°～360°绝对转角角度测试结果 (°)

通过分析以上测量数据，可知测量仪具有0.1°的测量精度，电池充满电后可连续工作10 h以上，关闭OLED屏的状态下可工作更长时间。

3 结 论

本文将MEMS倾角传感器芯片、单片机、ZigBee无线模块和LabVIEW虚拟仪器软件进行了有机结合，完成了无线数显角度测量仪的设计。所设计的测量仪既可进行双轴测量，也可实现单轴绝对角度测量，两种测量方式均具有0.1°的测量精度；该系统具有体积小、功耗低、精度高、安装和携带方便等优点，不但能就地显示测量数据，还能通过ZigBee无线网络将测量值传送至远端上位机以数字和图形化方式显示出来；其次，ADIS16209器件抗振性能高，能够承受小于3 500gn的振动加速度，不但可以用于角度测量还可以用于振动测量，可进行x和y轴加速度测量，具有多功能的特点，用于振动测量时结构上需要进行抗震设计，这将是下一步改进的方向，随着功能的增加，将具有非常广阔的应用前景。

[1] 吴晓鹏,赵祚喜,胡 炼,等.ADIS16209 IMU在倾角测量中的应用[J].现代电子技术,2010(13):110-113.

[2] 梁应选.基于单片机的转角测量系统设计[J].陕西理工学院学报:自然科学版,2015,31(3):44-48.

[3] 乌建中,张 珍,朱莲萍.基于ADIS16209的360°绝对式转角仪研制[J].中国工程机械学报,2010(4):474-479.

[4] 刘建航.基于PIC16F685的低功耗倾角测量仪的设计[J].微型机与应用,2014,33(21):19-21.

[5] 马 海.基于ZigBee无线传感器网络的远程数据监测的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学,2010.

[6] Analog Devices Inc.High accuracy,dual-axis digital inclinometer and accelerometer datasheet ADIS16209.[EB/OL].[2008—03—01].http:∥www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADIS16209.pdf.

[7] 章伟聪,俞新武,李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,2011(7):184-187,120.

Design of wireless digital display for angle measurement meter based on MEMS*

HE Rong-hua, ZHANG Da-bing, PENG Wang-long

(School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

To meet the requirement of high precision double-axis or single-axis angle measurement,present a novel wireless digital display instrument for angle measuring,high precision digital MEMS measuring instrument with small volume and low power consumption for sensor chip by using 8-bit Microcontroller as the main control chip.The measuring instrument and three-dimensional display are being operated through ZigBee wireless module and the remote host computer.Meanwhile,integrated OLED screen can display measurement data on the spot with the function of double-axis ±90° incline angle measurement and single-axis absolute 0°～360° turn angle measurement.The test results indicate that precision of this measuring instrument is 0.1°,which has a high application value.

MEMS sensor; ZigBee wireless module; angle measurement; virtual instrument

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0104—03

2016—03—26

湖南省科技计划资助项目(2014FJ3070)； 湘潭大学国家级大学生创新性实验计划资助项目(2014xtusj05)

TP212

A

1000—9787(2017)03—0104—03

何荣华(1994-)，男，学士，研究方向为机电一体化系统和微机电系统。

张大兵(1970-),男，通讯作者,博士，从事机电液控制、过程控制工作，E-mail：zdbpost@163.com。