基于ATMega16单片机的数字式水平测量仪设计

    目前市场上出售的水平仪种类很多, 有气泡式和数字式的水平仪。气泡式的水平仪可读性不是很好,而市场上出售的数字式水平仪,大多都是专业的水平仪且价格昂贵。设计一种适合一线工程人员使用的高性价比实用水平测量仪是很有必要的,可以极大的方便广大工程人员。

    1 水平仪测量的原理

    前人多采用差动变压器式传感器 LVDT 和 CCD 线列传感器等传感器来测量倾斜度[1],但这类传感器的精度、抗干扰等都赶不上 MEMS 技术开发生产的高精度双轴倾角传感器。本文在设计中使用了 MEMS 技术的双轴的 SCA100T 倾角传感器来测量角度。 该传感器是芬兰 VTI 公司在 2005 年推出[2]，是一种静态加速度传感器,当它静止时作用在它上面的只有重力加速度，重力方向和传感器敏感轴间的夹角就是倾斜角。 该传感器具有两个模拟信号输出和一个数字 SPI 接口,模拟输出能提高信号的灵敏度并大大的减小共模噪声。

   SCA100T 输出的模拟电压 v₀的范围是 0.5V 到 4.5V，电压转换成角度|鄣|的公式为：

    由上式可以很方便的计算出 SCA100T 倾角传感器的单个敏感轴与水平面的夹角。

    下面讨论如何通过双轴倾角传感器的两个敏感轴测量出的角度来计算 SCA100T 倾角传感器与水平面之间的任意角度。

    通过几何知识的理解和双轴倾角传感的两个模拟输出得到几何立体图形图 1：

    图 1 中 OX 代表敏感轴 X 轴，OY 代表敏感轴 Y 轴，由传感器的原理可以知道 OX⊥OY， 及△OXY 是直角三角形，平面 OXY 代表的是倾角传感器所在的平面。 平面 AXY 代表水平面。 从 O 点作虚线垂直平面 AXY,垂足为 A 点，连接 AX,AY 得到三角形△AXY, 及 OA⊥AXY。 在过 A 点作 AB 垂直XY 交 B 点，连接 OB，可知△OAB 是直角三角形 。 ∠OXA 是敏感轴 X 轴与水平面的夹角鄣，∠OYA 是敏感轴 Y 轴与水平面的夹角 β, ∠ABO 是倾角传感器所在平面与水平面的夹角γ 因为平面 OAB⊥AXY 平面。

    由上面所给的条件和两个平面相互垂直的定理可以证明 γ 就是所求倾角传感器所在平面与水平面的夹角（两个平面的夹角定理），其证明如下：

    ∵OA⊥AXY

    ∴OA⊥XY

    又 ∵AB⊥XY，OA∩AB=A

    ∴XY⊥OAB

    又 ∵ XY∈AXY

    ∴AXY⊥OAB（两个平面相互垂直的定理）

    ∵XY⊥OAB

    ∴XY⊥OB