本文描述了視障人士水平儀的完整設(shè)計(jì)。它使用ADXL312加速度計(jì)測(cè)量水平和垂直平面上的重力，并在加速度計(jì)完全水平或垂直時(shí)發(fā)出蜂鳴器。

它還可以用作傾斜傳感器，以調(diào)平汽車(chē)應(yīng)用中的拖車(chē)，其中水平儀可能位于遠(yuǎn)離騎師輪的地方。它還用作汽車(chē)穩(wěn)定系統(tǒng)或無(wú)人機(jī)的子電路。

介紹

Amar Latif在出現(xiàn)在名人大廚之后在英國(guó)烹飪界引起了轟動(dòng)。然而，阿馬爾不僅是一位好廚師，他還經(jīng)營(yíng)著自己的旅游公司，是一位勵(lì)志演說(shuō)家，曾徒步穿越南美洲大部分地區(qū)，同時(shí)也是一名電視名人。這個(gè)人的超能力是沒(méi)有盡頭的嗎？

可悲的是，有。阿瑪爾95%是盲人。隨著技術(shù)的進(jìn)步，世界努力跟上它的步伐，對(duì)于視障人士來(lái)說(shuō)，戰(zhàn)斗更加艱難。大多數(shù)技術(shù)進(jìn)步都要求我們?cè)谄聊磺盎ㄙM(fèi)更多時(shí)間。對(duì)于視障人士來(lái)說(shuō)，過(guò)多的屏幕時(shí)間仍然是一個(gè)“如果”。

如果技術(shù)可以用來(lái)豐富視力障礙者的生活，這只能是一件好事。由于只有18%的登記盲人是完全失明（或“黑盲”），這使得絕大多數(shù)人即使無(wú)法分辨細(xì)節(jié)，也至少有一些視力。因此，盲人精神水平的想法誕生了。

設(shè)計(jì)大綱

傾斜傳感器設(shè)計(jì)基于ADXL312，ADXL312是一款低電流加速度計(jì)，可在x、y和z軸上測(cè)量高達(dá)±1.5 g，并通過(guò)SPI總線(xiàn)讀取數(shù)據(jù)。該器件采用5 mm×5 mm封裝，待機(jī)模式下功耗為0.1 μA。它的測(cè)量分辨率為10位，因此ADXL312可以檢測(cè)每個(gè)軸上低至±2.9 mg的變化。ADXL312將每個(gè)軸的引力數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為高達(dá)±511的二進(jìn)制補(bǔ)碼值，微控制器讀取這些數(shù)據(jù)并將其顯示在單行16個(gè)字符的LCD顯示屏上。圖1顯示了ADXL312的檢測(cè)軸。

圖1.ADXL312的檢測(cè)軸。

該部件的滿(mǎn)量程讀數(shù)為 1.5 g，因此 1 g 的重力讀數(shù)為該讀數(shù)的 2/3。因此，如果ADXL312正好處于電平，則z軸寄存器應(yīng)讀取2/3滿(mǎn)量程，而x和y軸應(yīng)讀取零。同樣，當(dāng)ADXL312完全垂直時(shí)，x軸讀數(shù)應(yīng)為2/3滿(mǎn)量程，而y軸和z軸讀數(shù)應(yīng)為零。如果ADXL312開(kāi)始遠(yuǎn)離任何軸傾斜，則根據(jù)傾斜角度的正弦，最大讀數(shù)開(kāi)始減少，而其他軸上的讀數(shù)開(kāi)始增加。

ADXL312內(nèi)部

ADXL312是一款微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），由構(gòu)建在硅晶圓頂部的多晶硅表面微加工結(jié)構(gòu)組成。多晶硅彈簧將結(jié)構(gòu)懸掛在晶圓表面上，并提供對(duì)加速力的抵抗力。

固定硅手指與手指交錯(cuò)在移動(dòng)的防撞質(zhì)量上，以創(chuàng)建可測(cè)量特性的差分電容器。加速度使光束偏轉(zhuǎn)并使差分電容器不平衡，導(dǎo)致傳感器輸出的幅度與加速度成正比。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2.ADXL312的內(nèi)部工作原理。

ADXL312可以使用I2C 或 SPI，x、y 和 z 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在六個(gè)內(nèi)部 8 位寄存器中。它還具有許多其他功能，包括 32 級(jí) FIFO、兩個(gè)多功能中斷、偏移寄存器、機(jī)械自檢和自動(dòng)休眠模式。

靈性關(guān)卡設(shè)計(jì)

傾斜傳感器的完整電路圖如圖3所示。

圖3.視障人士水平儀的完整示意圖。

ADXL312的最大電源電壓為3.6 V，而LCD顯示屏和蜂鳴器需要5 V，因此電路的主輸入為5 V，使用3.3 V、150 mA線(xiàn)性穩(wěn)壓器（ADP121）為ADXL312、微控制器和E2存儲(chǔ)器供電。

微控制器上的端口B引腳2（CAL引腳）由10 kΩ電阻拉高。它還具有跳線(xiàn)，使其能夠接地。啟動(dòng)時(shí)，微控制器詢(xún)問(wèn)CAL引腳的狀態(tài)，如果該引腳被跳線(xiàn)拉低，則讀取x、y和z寄存器，從零中減去這些讀數(shù)，然后將結(jié)果加載到ADXL312內(nèi)部的失調(diào)寄存器中，并將其存儲(chǔ)在外部E2存儲(chǔ)器25AA040中。ADXL312會(huì)自動(dòng)將失調(diào)寄存器的讀數(shù)添加到任何未來(lái)的測(cè)量中，無(wú)需處理器交互，從而消除校準(zhǔn)的失調(diào)。

如果移除跳線(xiàn)，則CAL引腳被拉高，并繞過(guò)校準(zhǔn)程序。失調(diào)讀數(shù)直接從E2存儲(chǔ)器讀取，并加載到ADXL312的失調(diào)寄存器中。因此，在制造過(guò)程中，可以將水平儀安裝在校準(zhǔn)夾具中，CAL引腳保持低電平，可以校準(zhǔn)器件，并將偏移值存儲(chǔ)在E2存儲(chǔ)器中。校準(zhǔn)后，移除跳線(xiàn)，在隨后上電時(shí)，詢(xún)問(wèn)E2存儲(chǔ)器，并將校準(zhǔn)后的失調(diào)讀數(shù)加載到ADXL312的失調(diào)寄存器中。

然后，軟件對(duì)每個(gè)軸執(zhí)行八個(gè)讀數(shù)，并將結(jié)果平均，然后顯示在 16 個(gè)字符的 LCD 顯示屏上。顯示每 100 毫秒更新一次。

圖4顯示，當(dāng)每個(gè)傳感器接近其零讀數(shù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最大靈敏度。這是正弦波斜率最陡峭的地方，因此對(duì)于傾斜的任何變化，重力讀數(shù)的最大變化。

圖4.顯示g力隨角度的正弦變化。

幸運(yùn)的是，當(dāng)每個(gè)傳感器完全水平且傳感器讀數(shù)接近于零時(shí)，水平儀只需要測(cè)量?jī)A斜度。

該軟件旨在同時(shí)校準(zhǔn) x 軸和 z 軸。很容易將零件放置在水平平臺(tái)上并校準(zhǔn)傾斜傳感器的 x 軸。但是，此時(shí)z軸將承受1 g的力，因此需要獲取z讀數(shù)，與1 g的滿(mǎn)量程計(jì)數(shù)進(jìn)行比較，并將任何誤差加載到偏移寄存器中。通過(guò)在水平和垂直平面上進(jìn)行校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜傳感器每個(gè)軸的更精確校準(zhǔn)，但這需要兩階段校準(zhǔn)和軟件修改。

表1顯示了二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)的示例。正數(shù)遵循傳統(tǒng)的二進(jìn)制表示法。負(fù)數(shù)使用最高有效位 （MSB） 作為符號(hào)位;因此，正數(shù)的 MSB 等于零，負(fù)數(shù)的 MSB 等于 1。

兩者的正數(shù)補(bǔ)碼可以通過(guò)反轉(zhuǎn)所有位，然后加 1 來(lái)找到。因此，當(dāng)從計(jì)數(shù) 0 轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù) –1 時(shí)，代碼從 00 0000 0000 更改為 11 1111 1111。

軟件讀取 x 和 z 寄存器，如果任一寄存器的值為 0 或 1023 （11 1111 1111），它將端口 B 的位 5 設(shè)置為高電平，這將打開(kāi)晶體管 Q1 并發(fā)出 5 V 蜂鳴器的聲音。當(dāng)傾斜傳感器完全水平時(shí)，x 軸的讀數(shù)為 0 或 1023，當(dāng)完全垂直時(shí)，z 軸的讀數(shù)為 0 或 1023。只有當(dāng)兩個(gè)寄存器都不等于 0 或 1023 時(shí)，蜂鳴器才會(huì)停止響起。

準(zhǔn)確性和進(jìn)一步發(fā)展

僅考慮一個(gè)軸，當(dāng)重力作用于該軸時(shí)，最大讀數(shù)為1 g，當(dāng)零件傾斜90°時(shí)，該讀數(shù)降至0 g，如圖5所示。

圖5.使用重力讀數(shù)計(jì)算傾斜角度。

因此，施加的引力由方程決定

其中 ? 是相對(duì)于水平方向測(cè)量的傾斜角度。如果零件可以測(cè)量到2.9 mg的分辨率，則可以解析為0.17°的角度。很難確定標(biāo)準(zhǔn)氣泡液位的精度數(shù)字，因?yàn)楹茈y確定氣泡的確切位置。然而，從實(shí)驗(yàn)中，1.2米水平儀的末端可以移動(dòng)約3.2毫米（兩個(gè)未填充的PCB的寬度?。?，然后氣泡看起來(lái)偏離中心。這相當(dāng)于大約 0.15° 的角度，表明我們可以用電子傾斜傳感器代替氣泡液位，分辨率損失很小。

如果需要更高的精度，ADXL313在1 g范圍內(nèi)提供11位分辨率。接口和寄存器集與ADXL312非常相似，因此軟件不需要太多修改。ADXL355具有更低的噪聲和更高的分辨率。

ADXL312的噪聲密度為340 μg/√Hz，帶寬越低噪聲越好。該器件的帶寬可編程（從3.125 Hz到1600 Hz，默認(rèn)設(shè)置為50 Hz）。雖然降低帶寬可以改善噪聲，但這也會(huì)降低顯示器的更新速率。對(duì)于此設(shè)計(jì)，帶寬設(shè)置為6.25 Hz，這意味著均方根噪聲為850 μg。還可以通過(guò)獲取更多讀數(shù)并對(duì)其進(jìn)行平均來(lái)降低噪聲。

進(jìn)一步的改進(jìn)是讓LCD讀數(shù)顯示度數(shù)。但是，如果要將正弦和余弦包含在軟件中，這需要使用 C 庫(kù)中的數(shù)學(xué)函數(shù)。這些功能對(duì)于低端微控制器來(lái)說(shuō)占用了太多的代碼空間。使用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可以實(shí)現(xiàn)與正弦函數(shù)的近似，這應(yīng)該占用更少的代碼空間。

結(jié)論

ADXL312提供低成本電子傾斜測(cè)量系統(tǒng)，易于與低端微控制器接口。前面描述的設(shè)計(jì)已經(jīng)證明，它可以與傳統(tǒng)氣泡液級(jí)的精度相媲美，但具有電子接口。這使其能夠用作需要測(cè)量?jī)A斜度的大型設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)，例如拖車(chē)調(diào)平系統(tǒng)、穩(wěn)定性控制系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)。

更重要的是，它可以用來(lái)提高視障人士的獨(dú)立性，本文展示了一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，包括硬件、軟件和非易失性存儲(chǔ)器，以及音頻和視頻輸出。

審核編輯：郭婷