２０１３年第５期 第１２卷（总第６８期） 商丘职业技术学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＱＩＵ ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＣＯＬＬＥＧＥ Ｖｏ１．１２，Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．，２Ｏ１３ 文章编号：１６７１—８１２７（２０１３）０５—００６５—０４ 用加速度传感器进行倾角检测中的数据处理研究 纪爱国 （曲阜远东职业技术学院电子信息工程系，山东曲阜２７３１１５） 摘要：基于提供一种使用加速度传感器输出的信号进行倾角检测的目的，采用理论和实验相结合的方法，使 用Ｍａｔｌａｂ对加速度信号处理算法进行仿真分析的方法，从数学模型人手，分析了利用加速度传感器进行倾角测量 的原理，并借助Ｍａｔｌａｂ进行了仿真分析，进而得出了一个适合使用单片机对加速度信号进行数据处理的参数，同 时还讨论了加速度传感器分辨率与倾角检测精度之间的关系． 关键词：倾角检测；加速度传感器；ＡＤＸＬ３４５；加速度信号处理 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ ０ 引言 倾角检测系统作为现代工业不可缺少的检测工具，在游戏手柄、医疗器械、数码相机水平检测等方面有 着广泛应用．传统的倾角检测方法是对陀螺仪的输出信号进行积分，该方法虽然看似简单，但是积分结果与 积分时间、陀螺仪的零偏等因素有密切的关系Ｅ ］２４ Ｉ［２ ，此外，对于一般的单片机等８位微控制器而言， 进行积分运算时速度较慢，此外当积分周期较长时，需要的存储空间也较大．因此，利用加速度传感器进行倾 角检测得到了更多的应用，只要对加速度信号数据处理得当，就可以很好地进行倾角检测． １ 利用加速度传感器进行倾角检测的原理 １．１ 倾角测量原理 按照检测方向，加速度传感器可以分为单轴加速度传感器、双轴加速度传感器和三轴加速度传感器，不 同的加速度传感器在倾角检测精度方面有所不同，单轴加速度传感器可以用在倾角检测分辨率较低的场合， 检测范围为一９０。～＋９Ｏ。，双轴加速度传感器可以实现平面内３６０。范围的检测，三轴加速度传感器可以实现 全球面范围内的角度检测 ，本文主要讨论单轴加速度传感器在倾角检测方面的原理、数据处理以及误差分 析等方面的内容． 单轴加速度传感器测量倾角的原理如图１所示． ￡ ａＸ 赫 ８ × 、 ，ｇ 图１ 单轴加速度传感器倾角检测示意图 单轴加速度传感器利用重力矢量在该轴的分量来测量加速度，计算如（１）所示． ｄ 一ｇｓｉｎＯ 其中，重力加速度大小为１ｇ，角度０的单位是弧度． 收稿日期：２０１３—０７—０６ 作者简介：纪爱国（１９８Ｏ一），男，山东高青人，曲阜远东职业技术学院电子信息工程系助教，主要从事传感器信号处理与应用研究。 ・ ６５ 商丘职业技术学院学报 ２ 设计实例 在西南地区公路安防系统中，特别是在山区转弯路段，对于公路护栏的倾斜检测很常见，这种应用场合 对于倾角检测灵敏度（一般情况ｌ。就可以）要求不高，因此可以考虑使用加速度传感器来进行倾角检测． 笔者采用的是ＡＤＩ公司的三轴加速传感器ＡＤＸＬ３４５ ］１ ｌ［ ］３ 。，这是一款小而薄的超低功耗３轴加 速度传感器，分辨率高（１３位），测量范围达±１６ｇ．数字输出数据为１６位二进制补码格式，可通过ＳＰＩ（３线 或４线）或Ｉ２Ｃ数字接口访问．它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致 的动态加速度． 对于公路护栏的检测，常见的检测范围在一２５。～＋２５。，检测精度在１。就可以满足要求，由表１可以得 到，这种应用场合下，需要加速度传感器的输出分辨率至少为１６３．ｍｇ／Ｉ ＳＢ，而ＡＤＸＬ３４５的输出灵敏度在 ３．９ｍｇ／ＬＳＢ，完全满足要求． 选用三轴加速度传感器是为了考虑以后系统升级需要，笔者仅仅使用了其中的一个轴来检测倾角，这 时倾角检测范围、灵敏度等都有一定的，在使用中需要要注意． ３ 结语 倾角检测在很多了领域都有应用，本文分析了使用单轴加速度传感器来进行倾角检测的原理，从数学 原理人手，结合Ｍａｔｌａｂ仿真，阐明了了倾角检测范围、检测精度与加速度传感器数据灵敏度之间的关系，提 出了一个使用加权系数进行线性逼近的参数，该参数使用于单片机等数据处理能力有限的微控制器．最后， 给出了一个公路护栏倾角检测的设计实例． 参考文献： ［１］腾泓虬．基于ＡＤＸＬ３４５的转角控制系统设计与实现口］．科技信息，２ｏ１０（８）． Ｅ２３刘德胜．基于ＡＤＸＬ３４５的无线传感器网络研究ＥＤ］．北京：北京邮电大学，２０１０． ［３］Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｊ．Ｆｉｓｈｅｒ．Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０．６）［ａｏ１３．２］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｌｏｇ．ｃｏｍ／ｓｔａｔｉｅ／ｉｍ ｐｏｒｔｅｄ—ｆｉＩｅｓ／ａｐｐｌｉｃａｔｉ。ｎｎｏｔｅｓ／ＡＮ一１０５７．ｐｄｆ． Ｅ４］ＡＮＡＬＯＧ ＤＥＶＩＣＥＳ．Ｄｉｇｉｔａｌ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ＡＤＸＬ３４５［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１１．２）［Ｂｏ３３．２］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｐａｒｋｆｕｎ．ｃｏｍ／ｄａｔａｓｈｅｅｔｓ． ［５］徐治根．ＡＤＸＬ３４５在机械设备振动检测中的应用ＥＪ］．电子世界，２０１２（７）． Ｅ６］汤国锋，刘猛，黄卫佳．双轴倾斜角度测量系统设计ＥＪ］．传感器与微系统，２００９（１２）． ［责任编辑Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ 冯喜忠］ ＪＩ Ａｉ—ｇｕｏ （Ｑｕｆ．Ｆ口ｒ Ｅａｓｔ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑ ＾２７３１１５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ａｎｇｌｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎｌｙ ｕｓｉｎｇ ａｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ’Ｓ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ Ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｉｔｌｅ ｄｅ— ｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃａｍｅ ｔｏ ａ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅｔｔｅｒ ｃａｔｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’Ｓ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒ ａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｎｇｌｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｉｌｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ；ＡＤＸＬ４５；ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ・ ６８ ・
