基于MSP430单片机的便携式数字倾角仪的研制

　　0　引言

　　当前,大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式框式(条式)水平仪。其检测方法依然是“水泡移动,肉眼分辨”。这种原始的检测方法有诸多缺点,如测量值因人而易、功能单一、测量范围小等。该文介绍一种数字式角度测量仪,它与传统的水泡式框式(条式)水平仪相比具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点,彻底摆脱了“看水泡移动、估数值”的传统测量方法,大大提高了工作效率。

　　1　M SP430Flash系列单片机简介

　　MSP430Flash系列单片机是德州仪器公司(TI)推出的16位精简指令集(RISC)微处理器。它整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能,是一款高整合度的片上系统。MSP430Flash系列单片机具有很多特点:超低功耗,具有ISP功能,其指令体系为16位的RISC结构,指令可以为16bit模式,也可以为8bit模式。最快指令周期为125 ns, I/O口集成有施密特触发电路,脉冲信号可以直接输入到引脚而不用外加整形电路,从而为整形电路的低功耗性能奠定了良好的基础。与传统的51系列单片机相比,MSP430F13x系列具有48个可独立编程的I/O口, 16个独立的外部中断源, 2个16位的定时器, 1个高速的12位A/D转换器, 1个通用串行接口(UART),如果堆栈够大,它的中断可以无限嵌套。

　　该数字倾角仪测量系统选用的是MSP430F133处理器,它具有8KB ROM, 2KB RAM,完全满足系统要求。

　　2　传感器原理及其角度测量方法

　　2·1　传感器原理

　　采用垂直放置的两个完全相同的悬臂梁式力敏传感器构成倾角传感器。悬臂梁式力敏传感器由应变梁、应变电阻、重锤和传感器支架组成,应变梁上的4个应变电阻构成惠斯通电桥(WheatstoneBridge)。如图1所示,力敏传感器1#的长度轴线方向与测量基准面垂直,力敏传感器2#的长度轴线方向与测量基准面平行。设重锤的质量为m,重力加速度为g,当测量基准面和水平面所夹的角度为θ时,传感器1#的输出为:U1∝mgsinθ(1)传感器2#的输出为:U2∝mgsin(90°-θ)=mgcosθ(2)设U1输出电压值为Vy,U2输出电压值为Vy,则Vx/Vy=mgsinθ/mgcosθ=tanθ那么θ=arctan(Vx/Vy) (3)或θ=90°-arctan(Vx/Vy) (4)

　　根据式(3)或式(4),就可以计算出相应的角度值。

　　2·2　角度测量方法

　　以上为理论推理,实际上,考虑到单片机的处理能力有限,无法处理边界角度(如0°和90°等角度),以及无法确定角度方向等原因,设计中采用如下的方法以便于后续的标定工作。

　　根据式(1)和式(2),可以近似认为传感器的两个输出符合正余弦函数规律,即Vx=sinθ,Vy=cosθ,如图2。从图2可以看出Vx在0°~45°的变化远大于Vy的变化,显然Vx在0°~45°范围的灵敏度高于Vy,所在以0°~45°的区间内,应该采用1#传感器输出。而在45°~90°的范围内,Vy的变化率又显然大于Vx的变化率,故在45°~90°的区间内,使用2#传感器的输出。以此类推,把整个360°的平面从0°开始,每隔45°为一区域,逆时针划分为8个区域,分别定义为0,1,…,6,7区间。各个区间内具体使用哪个传感器的输出情况如图2中所示。在后面的标定过程中,记录在每个4·5°倍数的角度上传感器的两个输出,依次作为标定数据。计算角度时,把传感器的输出与先前的标定数据比较,则可以得到此时的角度。计算出角度值后,就能够分辨出在哪个象限,从而也就确定了方向。