傳統(tǒng)的角度測量儀有液體及玻璃裝置，整體結(jié)構(gòu)體積龐大，使用不當(dāng)容易發(fā)生破裂狀況，因此產(chǎn)品壽命較短，而且在使用上必須要等到氣泡到達平衡位置才可觀察正確的角度，測量過程不僅耗時且精度較低；而目測式的角度測量儀無法產(chǎn)傳統(tǒng)角度測量儀因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，容易造成量測誤差。數(shù)字三軸角度儀由于導(dǎo)入陀螺儀及傾斜傳感器，可感知傾斜面角度的變化并據(jù)此輸出不同的電壓值，再透過電壓值的大小反推平臺傾斜的角度，達到高效準(zhǔn)確的量測目的，改善傳統(tǒng)角度測量儀缺點。
生電子訊號來控制其它組件，即使以水銀液滴來取代氣泡，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出，也會因為結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測上的誤差，因此本文將以其它方式來測量平臺的傾斜角，改善傳統(tǒng)角度測量儀缺點。
為改善傳統(tǒng)角度測量儀的缺點，可利用三軸加速度計(Accelerometer)測量平臺的傾斜角度，當(dāng)測量儀放置在傾斜面時，三軸重力加速度會因傾斜面角度的改變而輸出不同的電壓值，且電壓值與角度呈現(xiàn)比例關(guān)系，因此可藉由電壓值的大小反推平臺傾斜的角度，透過單芯片的應(yīng)用，將三軸加速度計的輸出電壓轉(zhuǎn)換成角度顯示在液晶顯示器(LCD)上，使用者即可知道平臺傾斜的角度，甚至可測量平面的水平度。
精密陀螺儀加持 傾斜傳感器性能升級
由于許多如汽車、飛機、機械平臺等自動化設(shè)備，都須要測量設(shè)備本身傾斜的角度并將測量的結(jié)果回饋(Feedback)給控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)內(nèi)部的程序做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，因此，高精度傾斜傳感器(High-precision Tilt Sensor)是現(xiàn)代化科技發(fā)展不可或缺的零組件，尤其在建筑產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用是更為廣泛。以著名的單人二輪電動滑板車賽格威(Segway)而言，在正常操作下幾乎不會傾倒，關(guān)鍵在有精密的陀螺儀及敏銳的傾斜傳感器，隨時偵測騎乘者身體重心移動的變化，運用微處理器搜集騎乘者數(shù)據(jù)仿真人體的平衡。
根據(jù)工業(yè)局分析，國內(nèi)業(yè)者要生產(chǎn)賽格威(Segway)尚有困難，主要是由于關(guān)鍵零組件陀螺儀及傾斜傳感器等技術(shù)尚待建立。有鑒于此，本文應(yīng)用力學(xué)原理設(shè)計高精度傾斜傳感器，并使用8位系列芯片作為微控制器(MCU)，希望經(jīng)由這項研究能夠提升國內(nèi)傾斜傳感器的技術(shù)。
目前大部分傳統(tǒng)的傾斜傳感器的設(shè)計概念，大多以氣泡在重力場下的行為作為偵測角度之基礎(chǔ)，如圖1水平氣泡示意圖所示。當(dāng)所測平面產(chǎn)生傾斜時，水銀氣泡會離開原來的中央位置，而右方或左方的二條金屬電極(粗線部分)會發(fā)生斷路現(xiàn)象，即可判別是右傾或左傾，但此種裝置只能判斷平面是否保持水平而無法提供角度偵測，僅能做為水平開關(guān)。
圖1水平氣泡示意圖
如圖2水平氣泡幾何關(guān)系圖所示，其中S表示氣泡移動距離，R表示玻璃管曲面半徑，φ表示傾斜角度，則φ=(180×S)/(πR)。在一弧度玻璃管內(nèi)填充乙醚液體及保留一小氣泡于玻璃管中，當(dāng)傾斜角度發(fā)生時，因物理傾斜重力的因素而使其沿著玻璃管弧面移動，管內(nèi)氣泡會往高的一端移動，精度越高的水平氣泡，其玻璃的曲率半徑會越大，玻璃管上的弧面設(shè)計可讓氣泡永遠保持在最高點，再根據(jù)玻璃管上的紅色刻度線，以目測方式來判讀傾斜角。
圖2水平氣泡幾何關(guān)系圖
若將圖2中水平氣泡上的黑粗線改成金屬導(dǎo)線，氣泡改成水銀液滴，藉由電路整合就可轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出。以上所描述為傳統(tǒng)角度測量儀的原理，但傳統(tǒng)角度測量儀有液體及玻璃裝置，整體結(jié)構(gòu)體積龐大，使用不當(dāng)容易發(fā)生破裂狀況，因此產(chǎn)品壽命較短，且在使用上須等到氣泡達平衡位置才可觀察正確角度，測量過程不僅耗時且精度也較低。此外，目測式的角度測量儀亦無法產(chǎn)生電子訊號來控制其它組件，即使以水銀液滴來取代氣泡，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出，也會因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測上的誤差，因此必須以其它的方式來測量平臺傾斜角，改善傳統(tǒng)角度測量儀缺點。
加速度計利用撓曲/電路偵測位移
三軸加速度計是一種測量加速度的裝置，加速度計的廣泛使用使得自動化工業(yè)大幅降低成本。微機電系統(tǒng)(MEMS)加速計最常見于現(xiàn)代汽車的安全氣囊系統(tǒng)上，以偵測碰撞發(fā)生時車輛突然的減速度。加速度計只由一個懸臂和一個重錘組成，利用撓曲和電路來測量加速度，其工作原理為當(dāng)加速度計本體產(chǎn)生移動或轉(zhuǎn)動時，使內(nèi)部互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，造成電容值的變化，該電容值再轉(zhuǎn)換為特定輸出電壓為訊號，藉此讓裝置做出相對的反應(yīng)。本研究采用AGB3_V2三軸超小型加速度計，測定范圍從1.5～6倍的重力加速度(G)，使用防止噪聲的電容，內(nèi)藏放大器(Amp)，其接腳結(jié)構(gòu)如圖3所示，可直接與微處理器相接。
圖3加速度計接腳結(jié)構(gòu)圖
加速度計輸入電源電壓是5伏特(V)，輸出電壓最大約3伏特，若選擇1.5G模式，輸出訊號呈現(xiàn)800毫伏特(mV)/G的線性關(guān)系，因此模擬訊號輸出電壓Vout與0度訊號電壓V0、加速度Zg的關(guān)系為公式1。
‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式1
在此例中利用傾斜時的重力關(guān)系，可以換算出傾斜角。對于位移而言，由X-Y-Z軸感測到電壓變化，可以得到加速度計本體的傾斜角度，如圖4所示，以ψ、ρ與θ分別代表X軸、Y軸與Z軸的傾斜角度，加速度Xg、Yg、Zg與傾斜角度之間的關(guān)系可由公式2～4描述。
圖4加速度計本體的傾斜角度示意圖
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式2
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式3
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式4
本例的輸入Xg、Yg、Zg與輸出傾斜角度訊號ψ、ρ與θ并非線性關(guān)系，因此可將輸出電壓訊號切割成很多個區(qū)間來處理，由于Sin函數(shù)在零度角(水平)附近，呈現(xiàn)正比線性關(guān)系，而且變化較為顯著，所以在30度角之前僅分割成三個區(qū)間，在30度角與90度角之間則分割成三十個區(qū)間，區(qū)間內(nèi)則以線性內(nèi)插求得，商品化時若考慮到精度問題只須在程序內(nèi)將區(qū)間分割得越細，即可將精度提高到所需要的范圍。
此外，輸出訊號均為模擬(Analog)的微小訊號，因此必須將訊號放大才能作進一步的處理，同時在一般的應(yīng)用場合中往往還須要將訊號回饋傳送至微控制器中進行運算，因此必須將模擬式的訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字式(Digital)的訊號，才能讓微電腦讀取，這個程序是由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)來達成。
在軟件方面，HT-IDE3000發(fā)展系統(tǒng)可提供完善的工作平臺。將所有的軟件工具，例如編輯器、組譯器、連結(jié)器、函式庫管理員和符號除錯器，整合成為一窗口環(huán)境，使程序發(fā)展過程更為容易。HT-IDE3000軟件還提供軟件仿真器功能無須接上HT-ICE仿真器，即可進行程序開發(fā)。
HT-IDE3000軟件仿真器可以仿真8位微控制器，以及所有HT-ICE仿真器之基本功能。利用以HT46R232 MCU為核心之控制器主體搭配一個LCD之訊號輸出模塊與荷重元量測系統(tǒng)作為輸入單元，并規(guī)畫HT46R232微控制器A埠(Port A)為輸出埠，B埠(Port B)為輸入埠。其中，基于HT46R232微控制器的控制器主體用來執(zhí)行邏輯、運算、計時、計數(shù)等功能，并透過數(shù)字輸出或模擬輸入模塊來進行角度測量動作，本范例的程序流程圖如圖5所示，其技術(shù)來源為作者自行研究的成果，并已提出發(fā)明專利的申請。
圖5本文范例的程序流程圖
