傳統(tǒng)的角度測(cè)量?jī)x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(dá)平衡位置才可觀察正確的角度，測(cè)量過(guò)程不僅耗時(shí)且精度較低；而目測(cè)式的角度測(cè)量?jī)x無(wú)法產(chǎn)生電子訊號(hào)來(lái)控制其它組件，即使以水銀液滴來(lái)取代氣泡，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號(hào)輸出，也會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測(cè)上的誤差，因此本文將以其它方式來(lái)測(cè)量平臺(tái)的傾斜角，改善傳統(tǒng)角度測(cè)量?jī)x缺點(diǎn)。

為改善傳統(tǒng)角度測(cè)量?jī)x的缺點(diǎn)，可利用三軸加速度計(jì)(Accelerometer)測(cè)量平臺(tái)的傾斜角度，當(dāng)測(cè)量?jī)x放置在傾斜面時(shí)，三軸重力加速度會(huì)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(tái)傾斜的角度，透過(guò)單芯片的應(yīng)用，將三軸加速度計(jì)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(tái)傾斜的角度，甚至可測(cè)量平面的水平度。

精密陀螺儀加持　傾斜傳感器性能升級(jí)

由于許多如汽車、飛機(jī)、機(jī)械平臺(tái)等自動(dòng)化設(shè)備，都須要測(cè)量設(shè)備本身傾斜的角度并將測(cè)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(dòng)滑板車賽格威(Segway)而言，在正常操作下幾乎不會(huì)傾倒，關(guān)鍵在有精密的陀螺儀及敏銳的傾斜傳感器，隨時(shí)偵測(cè)騎乘者身體重心移動(dòng)的變化，運(yùn)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(guó)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(jì)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(xiàng)研究能夠提升國(guó)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(jì)概念，大多以氣泡在重力場(chǎng)下的行為作為偵測(cè)角度之基礎(chǔ)，如圖1水平氣泡示意圖所示。當(dāng)所測(cè)平面產(chǎn)生傾斜時(shí)，水銀氣泡會(huì)離開(kāi)原來(lái)的中央位置，而右方或左方的二條金屬電極(粗線部分)會(huì)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(wú)法提供角度偵測(cè)，僅能做為水平開(kāi)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(dòng)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(shí)，因物理傾斜重力的因素而使其沿著玻璃管弧面移動(dòng)，管內(nèi)氣泡會(huì)往高的一端移動(dòng)，精度越高的水平氣泡，其玻璃的曲率半徑會(huì)越大，玻璃管上的弧面設(shè)計(jì)可讓氣泡永遠(yuǎn)保持在最高點(diǎn)，再根據(jù)玻璃管上的紅色刻度線，以目測(cè)方式來(lái)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(hào)輸出。以上所描述為傳統(tǒng)角度測(cè)量?jī)x的原理，但傳統(tǒng)角度測(cè)量?jī)x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(dá)平衡位置才可觀察正確角度，測(cè)量過(guò)程不僅耗時(shí)且精度也較低。此外，目測(cè)式的角度測(cè)量?jī)x亦無(wú)法產(chǎn)生電子訊號(hào)來(lái)控制其它組件，即使以水銀液滴來(lái)取代氣泡，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號(hào)輸出，也會(huì)因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測(cè)上的誤差，因此必須以其它的方式來(lái)測(cè)量平臺(tái)傾斜角，改善傳統(tǒng)角度測(cè)量?jī)x缺點(diǎn)。

加速度計(jì)利用撓曲/電路偵測(cè)位移

三軸加速度計(jì)是一種測(cè)量加速度的裝置，加速度計(jì)的廣泛使用使得自動(dòng)化工業(yè)大幅降低成本。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速計(jì)最常見(jiàn)于現(xiàn)代汽車的安全氣囊系統(tǒng)上，以偵測(cè)碰撞發(fā)生時(shí)車輛突然的減速度。加速度計(jì)只由一個(gè)懸臂和一個(gè)重錘組成，利用撓曲和電路來(lái)測(cè)量加速度，其工作原理為當(dāng)加速度計(jì)本體產(chǎn)生移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使內(nèi)部互補(bǔ)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(hào)，藉此讓裝置做出相對(duì)的反應(yīng)。本研究采用AGB3_V2三軸超小型加速度計(jì)，測(cè)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(jì)接腳結(jié)構(gòu)圖

加速度計(jì)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(hào)呈現(xiàn)800毫伏特(mV)/G的線性關(guān)系，因此模擬訊號(hào)輸出電壓Vout與0度訊號(hào)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(shí)的重力關(guān)系，可以換算出傾斜角。對(duì)于位移而言，由X-Y-Z軸感測(cè)到電壓變化，可以得到加速度計(jì)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(jì)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(hào)ψ、ρ與θ并非線性關(guān)系，因此可將輸出電壓訊號(hào)切割成很多個(gè)區(qū)間來(lái)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(gè)區(qū)間，在30度角與90度角之間則分割成三十個(gè)區(qū)間，區(qū)間內(nèi)則以線性內(nèi)插求得，商品化時(shí)若考慮到精度問(wèn)題只須在程序內(nèi)將區(qū)間分割得越細(xì)，即可將精度提高到所需要的范圍。

此外，輸出訊號(hào)均為模擬(Analog)的微小訊號(hào)，因此必須將訊號(hào)放大才能作進(jìn)一步的處理，同時(shí)在一般的應(yīng)用場(chǎng)合中往往還須要將訊號(hào)回饋傳送至微控制器中進(jìn)行運(yùn)算，因此必須將模擬式的訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字式(Digital)的訊號(hào)，才能讓微電腦讀取，這個(gè)程序是由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog
to Digital Converter, ADC)來(lái)達(dá)成。

在軟件方面，HT-IDE3000發(fā)展系統(tǒng)可提供完善的工作平臺(tái)。將所有的軟件工具，例如編輯器、組譯器、連結(jié)器、函式庫(kù)管理員和符號(hào)除錯(cuò)器，整合成為一窗口環(huán)境，使程序發(fā)展過(guò)程更為容易。HT-IDE3000軟件還提供軟件仿真器功能無(wú)須接上HT-ICE仿真器，即可進(jìn)行程序開(kāi)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(gè)LCD之訊號(hào)輸出模塊與荷重元量測(cè)系統(tǒng)作為輸入單元，并規(guī)畫(huà)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(lái)執(zhí)行邏輯、運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能，并透過(guò)數(shù)字輸出或模擬輸入模塊來(lái)進(jìn)行角度測(cè)量動(dòng)作，本范例的程序流程圖如圖5所示，其技術(shù)來(lái)源為作者自行研究的成果，并已提出發(fā)明專利的申請(qǐng)。