1. Repository at ChSTU
  2. Випускні кваліфікаційні роботи
  3. Бакалавр
  4. 174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6384
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorЗубко, Ігор Анатолійович-
dc.contributor.authorТкаченко, Дмитро Олегович-
dc.date.accessioned2025-12-18T13:31:13Z-
dc.date.available2025-12-18T13:31:13Z-
dc.date.issued2024-06-
dc.identifier.urihttps://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6384-
dc.description.abstractРозглянуто основні технології, що використовуються при створені сучасних цифрових вимірювачів кута нахилу. Переглянуто аналоги існуючих моделей та порівняно їх характеристики. На основі зроблених порівнянь побудовано власну структурну схему пристрою з детальним аналізом компонентів. Запропоновано програмну частину реалізації пристрою.uk_UA
dc.language.isoukuk_UA
dc.titleДистанційний датчик для вимірювання кута нахилуuk_UA
dc.typeBachelor Thesisuk_UA
Appears in Collections:174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Б_151_2024_Ткаченко.pdf
  Restricted Access		1.78 MBAdobe PDFView/Open Request a copy
Show simple item record


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Extracted text 
 
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ 
СИСТЕМ 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи 
освітнього ступеня «бакалавр» 
  
на тему: Дистанційний датчик для вимірювання кута нахилу 
 
 
 
 
 
Виконав: здобувач вищої освіти  4 курсу, групи 
АКІТ-2009 
 спеціальності 151 Автоматизація та 
комп’ютерно-інтегровані технології  
 Дмитро ТКАЧЕНКО 
(прізвище та ініціали) 
 
Керівник Ігор ЗУБКО 
(прізвище та ініціали) 
 
Рецензент  
(прізвище та ініціали) 
 
 
 
 
 
 
 
 
Черкаси 2024 року 
 
ЗМІСТ 
 
ВСТУП ......................................................................................................................... 3 
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ ......................................................................................... 5 
2 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ АНАЛОГІВ ТА РІШЕНЬ ................................................... 6 
2.1 Аналіз технології ............................................................................................... 6 
2.2 Технологія iMEMS .......................................................................................... 12 
2.3 Точність інтегральних акселерометрів ......................................................... 17 
2.4 Аналіз існуючих аналогів ............................................................................... 20 
3 СТРУКТУРНА СХЕМА ЦИФРОВОГО ВИМІРЮВАЧА КУТА НАХИЛУ ... 30 
4 ПІДБІР КОМПОНЕНТІВ ПРИСТРОЮ ТА ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ ...... 32 
4.1 Порівняння та вибір мікроконтролера .......................................................... 32 
4.2 Вибір та аналіз модуля цифрового акселерометра ...................................... 38 
4.3 Вибір модуля візуального відображення інформації .................................. 49 
4.4 Вибір та аналіз модуля бездротового зв’язку .............................................. 51 
4.5 Вибір система керування пристроєм ............................................................. 53 
4.6 Вибір та аналіз блоку живлення .................................................................... 54 
4.7 Підключення і програмна реалізація пристрою ........................................... 56 
ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 60 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................................. 61 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 Розроб. Ткаченко Літ. Лист Листів 
 Перевір. Зубко Дистанційний датчик для У 2 65 
 Реценз.  вимірювання кута нахилу 
 Н. Контр.  Пояснювальна записка ЧДТУ, АКІТ-2009 
 Затверд.  
 
ВСТУП 
 
Точні вимірювання кута нахилу об’єктів відносно горизонтального 
положення є дуже важливими для багатьох систем керування рухом та систем 
забезпечення безпеки. На сьогоднішній день все більш широкого застосування 
знаходять різні пристрої вимірювання кута нахилу об’єктів відносно 
гравітаційного поля Землі: від недорогих смартфонів до складних авіаційних 
систем. 
Датчики кута нахилу (інклінометр) застосовуються для визначення кута 
нахилу опор великих генераторів, в системах позиціонування на виробництві, а 
також для контролю кутів нахилу великовантажних автомобілів і важких 
машин у будівельній, добувній галузі та важкій промисловості. 
Інклінометри знаходять використання при роботі самоскидів – за 
допомогою датчика кута нахилу водій визначає положення самоскида щоб 
уникнути перекидання. Інклінометри використовуються для позиціонування 
термопластавтоматів, щоб запобігти пошкодження прес-форми. 
Також інклінометри використовуються для визначення нахилу 
екскаватора відносно горизонту при видобутку породи в кар'єрах. 
Не менш різноманітними є і принципи, на яких заснована робота таких 
пристроїв. У даній роботі буде розглядатися принцип визначення кута нахилу 
за допомогою акселерометра. 
У бакалаврській випускній роботі розглядається цифровий вимірювач 
кута нахилу об’єктів відносно гравітаційного поля. 
Розробка даного пристрою має певні обмеження. По-перше: пристрій 
повинен мати невеликі габаритні розміри та бути простим у використанні, по-
друге: вартість пристрою повинна бути невисокою, дешевшою за його аналоги, 
по-третє: пристрій повинен працювати з заданою точністю. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
3 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Метою бакалаврської випускної роботи є дослідження цифрового 
вимірювача кута нахилу об’єктів відносно гравітаційного поля та опис 
принципу його роботи. 
Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні 
завдання: 
─ провести аналіз технології та доступних аналогів; 
─ порівняти аналоги та визначити технічні вимоги для 
розроблюваного пристрою;  
─ розробити структурну схему цифрового пристрою; 
─ відповідно до вимог обрати та дослідити елементну базу; 
─ проаналізувати переваги розробленого пристрою з аналогами. 
  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
4 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ 
 
Завданням бакалаврської роботи є аналіз існуючих аналогів та 
проектування відносно простого та раціонального цифрового вимірювача кута 
нахилу. 
Пристрій, описаний у дипломній роботі, являє собою набір модулів, 
кожен з яких виконує поставлену задачу. Основним досліджуваним модулем є 
модуль цифрового акселерометра, який фіксує зміну кута нахилу об’єкта 
відносно гравітаційного поля. 
Даний прилад – це конструкція на базі налагоджувальної платформи, де 
ключову роль відіграє мікроконтролер. Він застосовується для обробки даних, 
що надходять та підготовку їх на передачу пристроям виведення інформації. 
В якості пристроїв виведення інформації задіяний модуль візуального 
відображення інформації та модуль бездротового зв’язку.  Така комбінація 
пристроїв виведення дає змогу гнучко використовувати систему у будь-який 
час роботи. 
Для можливості корекції початкових значень та можливості вибору 
режимів роботи передбачений модуль системи керування пристроєм. 
 Простота конструкції та легкість програмування повинні створити базу 
для майбутніх модифікацій системи. 
Основні характеристики приладу що розробляється: 
 можливість виміру кута нахилу об’єкта в трьох осях; 
 можливість виведення інформації на модуль візуального відображення 
інформації; 
 можливість виведення інформації на інші пристрої за допомогою 
технології бездротового зв’язку; 
 можливість редагування налаштувань; 
 компактність та портативність приладу. 
  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
5 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
2 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ АНАЛОГІВ ТА РІШЕНЬ 
2.1 Аналіз технології 
Визначення кута нахилу різних об'єктів відносно гравітаційного поля 
Землі здійснюється приладом під назвою інклінометр. Інклінометри, або, як їх 
ще називають, датчики кута нахилу, призначені для вимірювання нахилу різних 
статичних або динамічних об'єктів. Інклінометри широко застосовуються, 
наприклад, на сільськогосподарських або будівельних машинах, для контролю 
деформацій опор, балок різних споруд тощо. 
Залежно від числа осей, відносно яких може вимірюватися кут нахилу, 
інклінометри можуть бути одно-, дво- або трьохосьовими. 
Проаналізуємо визначення кута нахилу за допомогою сили гравітації 
Землі. Якщо єдиною силою, що діє на об'єкт є сила гравітації, то в цьому 
випадку для визначення статичного кута нахилу може бути використаний 
акселерометр, прилад, який вимірює проекцію прискорення (суперпозицію 
власного прискорення акселерометра і вектора гравітації) на його чутливу вісь. 
За величиною виміряної проекції визначається кут нахилу. 
На практиці найчастіше на об'єкт крім сили гравітації діють ще й інші 
сили, викликані обертанням, тряскою і т.п. Так як сила гравітації має постійну 
величину, будь-які додаткові сили, що діють на об'єкт, змінять вихідні дані 
акселерометра, а отже в розрахунку кута нахилу з'явиться помилка. 
Застосувавши попередню обробку вихідного сигналу акселерометра, можна 
звести вплив інших сил до мінімуму, але це призведе до затримки видачі 
актуального значення кута. 
Акселерометри широко використовуються для вимірювання кута нахилу 
тіл, сил інерції, ударних навантажень і вібрації. Вони знаходять широке 
застосування в транспорті, медицині, промислових системах виміру і 
управління, інерціальних системах навігації. 
Промисловість виготовляє багато різновидів акселерометрів, які мають 
різні принципи дії, діапазони вимірюваних прискорень, масо-габаритні 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
6 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
характеристики і ціни. Порівняння основних типів акселерометрів наведено в 
таблиці 2.1. 
 
Таблиця 2.1 – Порівняльні характеристики акселерометрів 
Область 
Тип Точність Ціна Особливості 
використання 
Тільки змінне 
Плівкові прискорення. 
Сама Вібрації, 
п'єзоелектричні Низька Чутливі до 
низька удари 
акселерометри температури і 
тиску 
Електромеханічні Низькі частоти. 
Дуже Дуже Інерціальна 
(струнні, Чутливість до 
висока висока навігація 
маятникові) перевантажень 
Вібрації, Тільки змінне 
П’єзоелектричні Висока Висока 
удари прискорення 
Нахил, Складне 
вібрації, налаштування, 
П’єзорезистивні Середня Висока 
інерціальні низька 
сили термостабільність 
Нахил, 
Інтегральні Низький шум, 
вібрації, 
об’ємної Середня Середня складне 
інерціальні 
конструкції налаштування 
сили 
Нахил, 
Інтегральні Малі габарити, 
вібрації, 
поверхневої Середня Низька завершеність 
інерціальні 
конструкції конструкції 
сили 
 
На рисунку 2.1 показано області, які займають акселерометри різного 
типу в порівнянні «Якість-ціна».  
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
7 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 2.1 – Порівняння «Якість-ціна» для різних акселерометрів 
 
Сучасні технології мікрообробки дозволяють виготовляти інтегральні 
акселерометри, які мають малі габарити та низьку вартість. 
Розглянемо декілька основних типів акселерометрів.  
Плівкові п’єзоелектричні акселерометри 
Плівкові п'єзоелектричні датчики прискорення виконуються на основі 
багатошарової п'єзоелектричної полімерної плівки. Багатошарова плівка 
закріплена на підкладці з оксиду алюмінію і до неї приєднана інерційна маса з 
оксиду металу. При зміні швидкості руху датчика в результаті дії інерційних 
сил відбувається деформація плівки. Завдяки п'єзоефекту виникає різниця 
потенціалів на межах шарів плівки, яка залежить від прискорення. 
Чутливий елемент датчика володіє надзвичайно високим вихідним 
опором, тому на підкладці датчика ACH-0, зображеного на рисунку 2.2, від 
компанії Atochem Sensors є також польовий транзистор з малим струмом 
затвору, який являє собою підсилювач напруги. Це дозволяє вимірювати змінні 
прискорення з порівняно низькою частотою. 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
8 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 2.2 – Акселерометр ACH-01 від компанії Atochem Sensors 
 
Датчики цього типу мають погану повторюваність характеристик в 
серійному виробництві, високу чутливість до зміни температури і тиску. Вони 
не можуть контролювати постійні прискорення і гравітаційні сили. 
Основна область застосування – схеми управління надувними подушками 
безпеки. 
Об’ємні інтегральні акселерометри 
Прикладом об'ємного датчика може служити NAC-201/3 компанії Lucas 
NovaSensor, призначений для застосування в системах управління надувними 
подушками безпеки автомобілів.  
Цей датчик складається з двох пластин кремнію 1 і 2, які сплавлені один з 
одним (рис. 2.3). Трьома тонкими кремнієвими балками c, d і e, наявними в 
пластині 1, інерційна маса «а» з'єднана з кремнієвої рамкою «b» на пластині 2. 
Ця маса з'єднується з кремнієвої рамкою механічно з одного краю (точки f, f, f 
на рис. 2.3). Кожна з коротких зовнішніх (вигинистих) балок містить пару 
п’єзорезисторів, що утворюють напівміст. Два напівмоста з'єднуються в 
мостову схему. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
9 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Коли відбувається зіткнення автомобіля з перешкодою, маса рухається 
вниз, згинаючи балки c, d, e викликаючи деформацію п’єзорезисторів. Таким 
чином, при деформації п’єзорезисторів, включених за схемою моста Уітстона, 
датчик і розташована поза кристалом електронна схема обробки сигналів 
створює при роботі вихідний сигнал напругою від 50 до 100 мВ повної шкали. 
 
 
Рисунок 2.3 – Інтегральні акселерометри об’ємної конструкції 
 
Інтегральні датчики прискорення об'ємної конструкції мають ряд 
недоліків. 
По-перше, вони складні у виробництві, оскільки операції формування 
об'ємних структур не дуже просто поєднуються зі стандартними поверхневими 
інтегральними технологіями. 
По-друге, бажано мати датчик мінімально можливих розмірів на 
схемному кристалі також мінімально можливих розмірів. Зменшення розмірів 
кристала дає підвищення його механічної міцності і зниження вартості. У той 
же час в датчику об'ємної конструкції тільки на розміщення чутливого елемента 
потрібно від 6,5 до 16 мм2 площі кристала. Розміщення на кристалі схем 
формування сигналу може збільшити цю площу ще в два рази. Тому, 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
10 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
наприклад, один з датчиків прискорення компанії Motorola має двох кристальну 
конструкцію. На одному кристалі виконаний об'ємний чутливий елемент, а на 
іншому - схема обробки сигналу. 
Інтегральні акселерометри поверхневої конструкції (Технологія 
поверхневої мікромеханіки) 
Низьку ціну, невеликий розмір одно кристального інтегрального 
компонента, можливість детектування як високих, так і малих прискореннь 
(включаючи статичні), здатність детектування в напрямку всіх трьох 
вимірювальних осей пропонують технології поверхневої мікромеханіки. 
Даний термін узагальнює методи, які для отримання економічної, 
електромеханічної сенсорної структури, інтегрованої з схемами обробки 
сигналу, включають етапи послідовного нарощування шарів різних матеріалів 
на поверхні однієї і тієї ж кремнієвої підкладки. Потім, з метою формування 
структури, здійснюється вибіркове (селективне) травлення матеріалів. 
Технології, іменовані поверхневими, дозволяють визначати прискорення 
в площині, паралельній поверхні кристала. Типовий чутливий елемент 
поверхневого кремнієвого акселерометра – це полікремнієва мікромеханічна 
структура, що представляє собою масу з пружинними підвісами, які утримують 
масу вище підкладки в горизонтальному положенні і забезпечують опір 
переміщенню під дією прискорення. 
В даному випадку термін «поверхневий» ставиться до можливості 
визначення прискорення в напрямку, паралельному лицьовій поверхні 
інтегральної схеми. Така структура, показана на рисунку 2.4 в одновимірному 
виконанні і може бути перетворена в двовимірний або тривимірний варіант. 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
11 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
а) одноосьова поверхнева мікромеханічна структура: 
    1 - елементарна вимірювальна комірка;  
    2, 3 – фіксовані обкладинки паралельно з’єднаних конденсаторів; 
    4 – рухома обкладка; 
    5 – інерційна маса; 
    6 – пружний елемент, що працює на розтяг; 
    7 – анкерні точки кріплення; 
    8 – кремнієва підкладка; 
    а – прискорення в напряму вимірюваної осі (X); 
 
б) асиметрична одноосьова поверхнева мікромеханічна структура: 
     1 – кремнієва підкладка; 
     2, 3 – фіксовані обкладки двох диференціальних конденсаторів; 
     4 – елемент - крило з рухомими обкладинками конденсатора – 
асиметричне крило; 
     5 – інерційна маса; 
     6 – кріплення крила до підкладки; 
     7 - пружний елемент, що працює на кручення; 
      а – прискорення в напряму вимірюваної осі (Z); 
 
 
Рисунок 2.4 – Фізичні моделі структур двох датчиків прискорення 
 
Крім вимірювальних напрямків найважливішими відмінностями даної 
технології від об'ємної є наявність великого числа вимірювальних комірок, 
типова ємність сенсорного елемента порядку декількох пФ (ємність об'ємних 
елементів 10-20 пФ), здатність визначати високі прискорення з високою 
роздільною здатністю, але з дещо меншою точністю. 
 
2.2 Технологія iMEMS 
Технологія iMEMS (integrated MEMS) являє собою різновид технології 
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), що дозволяє поєднувати на одному 
кристалі мікроелектромеханічні пристрої з традиційними електронними 
елементами інтегральних схем. 
На рисунку 2.5(а) показано технологію отримання поверхневої 
мікромеханічної вимірювальної структури інтегрального датчика. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
12 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Рисунок 2.5 – Процес отримання мікромеханічної сенсорної структури 
акселерометрів 
 
На спеціально відведену ділянку кристала наноситься діоксид кремнію 
(так званий «жертовний» шар), проводиться літографія, розкриваються «вікна» 
для приєднання мікромеханічного сенсора до електричної схеми і одночасного 
отримання «якорів», що утримують конструкцію сенсорної частини датчика на 
кремнієвій підкладці. Далі зверху нарощується шар полікристалічного кремнію 
і потім за допомогою літографії і травлення полікремнію створюється сенсорна 
структура. Нарешті, травиться «жертовний» шар, і механічна частина датчика 
готова (рис. 2.5(б)). 
В результаті механічна частина датчика включає полікремнієву 
пластинку, механічно з'єднану з підкладкою за допомогою пружних елементів 
підвісу, утримуваних «якорями» і здатну переміщатися в напрямку однієї 
ступені свободи під дією прискорення. По краях пластинки витравлені балки, 
які закріплені на підкладці і утворюють диференціальну систему великого 
числа комірок парних ємностей. Переміщення рухомої пластинки щодо цих 
нерухомих балок дозволяє реєструвати прискорення (рис. 2.6). За відсутності 
прискорення ємності в комірці майже однакові, якщо ж прискорення відмінне 
від нуля, пластинка зміщується, і баланс ємностей порушується. Крім того, 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
13 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
можлива наявність додаткових балкових структур, які використовуються для 
зміщення механіки сенсора за допомогою зовнішньої напруги – для перевірки 
функціональності датчика або так званого само тестування.  
 
 
 
Рисунок 2.6 – Диференціальна вимірювальна система на основі парних 
ємностей з балками, закріплених на підкладці 
 
На рисунку 2.7 показаний варіант двоосьового датчика, що забезпечує 
чутливість до прискорення в двох напрямках, окремо наведено збільшене 
зображення пружною підвіски, виконаної для збільшення чутливості у формі 
меандру. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
14 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 2.7 – Оптичне зображення сенсорної частини двохосьового 
акселерометра 
 
Принцип роботи датчика 
При впливі на рухливий елемент сенсора масою m сили: 
 
F = m × a, 
 
виникає зміщення x, пропорційне прискоренню: 
 x = mα⁄β = α⁄ω	, 
 
де β - жорсткість підвіски; 

α - прискорення зміщення сенсора; 
 - власна часто та коливань сенсора, що визначає чутливість механічної 
частини системи. 
На балки, зафіксовані на підкладці, подаються електричні сигнали – 
прямокутні імпульси різної полярності в протифазі (рис. 2.8). При відсутності 
прискорення відсутнє і зміщення механіки, а значить і ємності рівні, тому 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
15 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
вихідний сигнал змінної напруги, що знімається з рухомої пластини, також 
практично дорівнює нулю. При наявності прискорення баланс ємностей 
порушується, і з'являється змінний сигнал. 
 
 
Рисунок 2.8 – Схема обробки сигналу датчика 
 
При малих зсувах рухомої частини електричний сигнал пропорційний 
величині зсуву, яка, в свою чергу, пропорційна прискоренню. У акселерометрах 
Analog Devices отриманий сигнал, як правило, виділяється в схемі синхронного 
демодулятора і посилюється. Необхідно враховувати, що при подачі напруги 
між балками виникають електростатичні сили, які збільшуються при 
розбалансуванні ємностей. Тому для запобігання небажаного збудження 
сенсора та зменшення шумів частота електричного сигналу, що подається на 
ємності, вибирається істотно більше власної частоти коливань сенсора. 
Типове значення резонансної частоти акселерометра рідко перевищує 10 
кГц, частоти сигналу, що подається – 100 кГц. Вихідним сигналом 
перетворювача після відповідної обробки сигналу з сенсорної частини є 
напруга, лінійно пов'язана з величиною прискорення або сигнал широтно-
імпульсної модуляції, при якому прискорення також пропорційне відношенню 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
16 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
тривалості імпульсу до періоду послідовності. У лінійці інтелектуальних 
датчиків сімейства Analog Devices існують також варіанти з цифровим 
вихідним сигналом, що передається по SPI-інтерфейсу. 
 
2.3 Точність інтегральних акселерометрів 
Статична точність 
Точність перетворення прискорення в електричний сигнал 
акселерометрами так само, як і точність датчиків іншого типу, визначається 
величинами зміщення нуля, похибкою повної шкали (або чутливості), а також 
температурним і часовим дрейфом цих параметрів. Важливими складовими 
похибки є також похибки лінійності (нелінійність) і поперечна чутливість. 
Зсув нуля і чутливість акселерометрів при нормальних умовах 
коректуються при виготовленні. Залишкова похибка може бути зменшена 
шляхом калібрування і запам'ятовування калібрувальних констант в пам'яті 
мікроконтролера. Калібрування акселерометра можливо виконати двома 
способами: на вібростенді із зразковим датчиком прискорення і з 
використанням сили тяжіння. 
Використання вібростенда має свої переваги та недоліки. До числа 
переваг можна віднести: 
─ можливість калібрування, датчиків, сприйнятливих тільки до 
змінного прискоренню; 
─ можливість калібрування датчиків з прискореннями, що 
багаторазово перевищують прискорення g. 
З недоліків цього варіанту назвемо наступні: 
─ потрібно дорогий вібростенд; 
─ закріплення датчика при калібруванні прискорень більше g являє 
певну проблему. 
Переваги застосування для калібрування сили тяжіння: 
─ не потрібно дороге обладнання; 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
17 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
─ метод мало чутливий до похибки установки датчика. 
До недоліків методу можна віднести: 
─ метод застосовується лише для датчиків, сприйнятливих до 
постійного прискорення; 
─ практично неможливо відкалібрувати повну шкалу датчиків, 
здатних перетворювати великі прискорення. 
Температурний дрейф зміщення нуля і чутливості також можуть бути 
компенсованими. Для цієї мети деякі моделі (XMMA1000, ADXL105) 
забезпечуються вбудованими датчиками температури. 
Однією з причин нелінійності характеристики перетворення інтегральних 
акселерометрів з датчиками ємнісного типу є нелінійна залежність ємності 
конденсатора від відстані між обкладинками (рис. 2.9). 
При використанні підсилювача заряду, як це зроблено в XMMA1000, 
потенціал рухомої пластини постійний і дорівнює половині напруги живлення 
(рис. 2.10). 
 
 
Рисунок 2.9 –  Графік залежності різниці ємкості конденсаторів із комірки 
датчика прискорення від переміщення рухливої пластини 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
18 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Рисунок 2.10 – Спрощена конструкція датчика прискорення мікросхеми 
сімейства XMMA 
 
Якщо в акселерометрі застосовується підсилювач напруги, то заряд 
конденсаторів датчика мінятися не буде. Тоді збільшення напруги на рухомій 
пластині буде лінійно залежати від зміни відстані між пластинами. 
З наведених причин акселерометр XMMA1000 (підсилювач заряду) має 
типову похибку лінійності 1% від повної шкали проти 0,5% у MMAS40G 
(підсилювач напруги). 
Акселерометри сімейства ADXL мають ємнісний датчик 
диференціального типу, нерухомі пластини якого живляться рівними, але 
протифазними напругами збудження з частотою 1 МГц. Тому, залежність 
напруги на рухомих пластинах датчика від переміщення виходить лінійною. 
Акселерометри сімейства ADXL мають типову похибку лінійності 0,2%. 
В якості ще одного джерела похибки вказується гістерезис (тобто неповна 
відновлювальність) при вібраціях і ударах. 
Поперечна чутливість 
Поперечна чутливість характеризує здатність датчика перетворювати в 
електричний сигнал прискорення, спрямоване під кутом 90° до осі чутливості 
датчика. У ідеального акселерометра поперечна чутливість дорівнює нулю. У 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
19 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
паспортних даних датчика вказується частина (у відсотках) поперечного 
прискорення, яка проходить на вихід. 
Шум акселерометрів 
Шум, що міститься у вихідному сигналі акселерометра, визначає 
роздільну здатність пристрою, важливу при визначенні малих прискорень. 
Граничний дозвіл в основному визначається рівнем шуму вимірювання, який 
включає зовнішній фоновий шум і власний шум датчика. 
Рівень шуму безпосередньо пов'язаний з шириною смуги пропускання 
датчика. Зменшення смуги пропускання шляхом включення фільтра низьких 
частот на виході призводить до зниження рівня шуму. Це покращує відношення 
сигнал/шум і збільшує роздільну здатність, однак вносить амплітудні і фазові 
частотні спотворення. 
Деякі моделі акселерометрів містять на кристалі фільтр низьких частот 
(сімейство XMMA - 4-го порядку, ADXL190 - 2-го). Двоосьові  датчики 
ADXL202/210 мають виводи для підключення двох зовнішніх конденсаторів, 
що утворюють з двома внутрішніми резисторами по 32 кОм два ФНЧ першого 
порядку. 
Основною динамічною характеристикою акселерометрів є смуга 
пропускання за рівнем -3 дБ. 
 
2.4 Аналіз існуючих аналогів 
Портативні інклінометри 
Електронний рівень (інклінометр) geo-Fennel S-Digit mini  
Електронний рівень geo-Fennel S-Digit mini (рис. 2.11) відрізняється 
зручністю і простотою експлуатації. Конструкція виготовлена в металевому 
корпусі, всередині якого розташовується електронний рівень. Матеріал 
пристрою надійно захищає його від зовнішніх механічних впливів. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
20 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
За рахунок невеликих розмірів і малої ваги прилад можна носити з собою, 
здійснюючи необхідні вимірювання на місці. Комплектація передбачає м'який 
чохол, що запобігає забрудненню і пошкодженню пристрою. 
Магнітна підставка дозволяє фіксувати рівень на поверхні, розширюючи 
діапазон одночасно виконуваних функцій. Живлення пристрою забезпечують 
три батарейки типу АА. Час автономної роботи до повної розрядки становить 
40 годин.  
 
 
Рисунок 2.11 – Електронний рівень (інклінометр) geo-Fennel S-Digit mini 
 
В таблиці 2.2 наведені основні характеристики портативного 
інклінометра. 
 
Таблиця 2.2 – Характеристики інклінометра geo-Fennel S-Digit mini 
Параметри Характеристики 
Робочі діапазони 4 × 90° 
Похибка 0,1° / 0,1% 
Точність ±0,1° на ±10° в районі від 0° до 90° 
±0,2° в інших вимірюваннях 
Робоча температура від 0° до 90°С 
Розміри 156 х 56 х 31 мм 
Живлення 3 х 1,5 V AAA Alkaline 
Вага 0,3 кг 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
21 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Електронний інклінометр PRO 360 HAWEKA 
На рисунку 2.12 зображено електронний гіроскопічний інклінометр для 
обслуговування автомобілів Mercedes-Benz, призначений для вимірювання 
кутів нахилу важелів автомобіля і кута нахилу шарніру рівних кутових 
швидкостей, необхідних для розрахунку правильних кутів установки коліс з 
бази даних Mercedes-Benz.  
 
 
Рисунок 2.12 – Електронний інклінометр PRO 360 HAWEKA 
 
Особливості: 
─ електронний інклінометр призначений для вимірювання кутів 
нахилу; 
─ він дозволяє визначити нахил важелів підвіски або осі приводного 
валу відносно горизонталі; 
─ виміряні значення можуть бути введені в комп'ютерний стенд 
регулювання установки коліс; 
─ таким чином можуть бути оптимізовані кути розвалу, сходження і 
кут поздовжнього нахилу шворня. 
─ конструкція приладу дозволяє вимірювати кути як вертикальних, 
так і горизонтальних поверхонь. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
22 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
В таблиці 2.3 наведені основні характеристики портативного 
інклінометра PRO 360 HAWEKA. 
 
Таблиця 2.3 – Характеристики інклінометра PRO 360 HAWEKA 
Параметри Характеристики 
Діапазон вимірювань 360° (4 × 90°) 
Точність 0,1° 
Повторюваність +0,1° 
Діапазон робочих температур від -5 до +50° С 
Напруга живлення 9 В 
Маса 725 г (з адаптером) 
 
Електронний інклінометр CM-09606 ROMESS 
Електронний інклінометр для сервісних центрів Mercedes-Benz. 
Електронний інклінометр призначений для вимірювання кута 
розташування деталей підвіски відносно горизонталі. Дана операція необхідна 
для того, щоб обчислити висоту посадки автомобілів, знання якої необхідне для 
коректного регулювання кутів установки коліс. В результаті, прилад видає дані 
про нахил відповідної деталі підвіски в кутових величинах, які потім можуть 
бути введені вручну або автоматично передані в програму контролю кутів 
установки коліс стенду «розвал-сходження». 
Електронний інклінометр складається з дисплея і власне інклінометра, що 
має вигляд електронного рівня з 2 вирівнюючими пристосуваннями (рис. 2.13).  
Електронний інклінометр обов'язково застосовується при виконанні 
операцій контролю і регулювання установки кутів нахилу коліс автомобілів 
Mercedes Benz, так як того вимагають заводські специфікації. 
Особливості: 
─ підключення до комп'ютера через COM порт (RS-232); 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
23 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
─ датчик вимірювання кута використовується з різними адаптерами 
під відповідні марки автомобілів Mercedes Benz. 
Стандартна комплектація: 
─ пристрій з дисплеєм; 
─ інклінометр; 
─ стандартний адаптер 09606-50 для автомобілів MB 170-202-208-
210; 
─ мережевий адаптер для зарядки акумуляторів (12 В х 250 мА); 
─ кейс для транспортування. 
В таблиці 2.4 наведені основні характеристики портативного 
інклінометра CM-09606 ROMESS. 
 
 
Рисунок 2.13 – Електронний інклінометр CM-09606 ROMESS 
  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
24 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Таблиця 2.4 - Характеристики інклінометра CM-09606 ROMESS 
Параметри Характеристики 
Датчик виміру Спеціалізований мікропроцесор 
Діапазон виміру кутів ±15° 
Роздільна здатність 0,001 
Точність вимірювання 1% 
Діапазон робочих температур від 0 до +70°C 
Інтерфейс передачі даних RS-232 
Електроживлення 5В/0.8Вт, 4х1.2В Ni-Cd акумулятори 
Габаритні розміри 450х378х90 мм 
Вага 3,5 кг 
 
Стаціонарні інклінометри 
Інклінометр STS-311-1 
На рисунку 2.14 зображено цифровий інклінометр STS-311-1, його 
характеристики наведені в таблиці 2.5. 
 
 
Рисунок 2.14 – Інклінометр STS-311-1 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
25 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Особливості: 
─ вимірювання нахилу статичних об'єктів; 
─ одна вісь вимірювання; 
─ чутливий елемент - MEMS; 
─ наявність синусоїдної залежності вихідного сигналу в залежності 
від кута нахилу; 
─ нормований вихід по струму або по напрузі; 
─ висока механічна міцність. 
 
Таблиця 2.5 – Характеристики інклінометра STS-311-1 
Параметри Характеристики 
Діапазон вимірювань ±20°, ±30°, ±40°, ±60°, ±80°, ±90° 
Похибка вимірювання < ±0,5% 
Роздільна здатність < ±0,05% 
Температурна залежність < ±0,005%/С° 
Робоча температура -40~80°C 
Напруга живлення 9~24В (стаб.) 
Споживання < 30 мА 
 
Інклінометр STS-316-2 
На рисунку 2.15 зображено цифровий інклінометр STS-316-2, його 
характеристики наведені в таблиці 2.6. 
 
 
Рисунок 2.15 – Інклінометр STS-316-2 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
26 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Особливості: 
─ вимірювання нахилу статичних об'єктів; 
─ два режими: дві осі вимірювання ± 90º або одна вісь ± 180º (0 ~ 
360º); 
─ чутливий елемент  - MEMS; 
─ лінійна залежність вихідного сигналу від кута нахилу; 
─ цифровий інтерфейс RS-232 або RS485; 
─ вбудований датчик температури чутливого елемента; 
─ висока механічна міцність. 
 
Таблиця 2.6 - Характеристики інклінометра STS-316-2 
Параметри Характеристики 
Діапазони вимірювання ±90° або, ±180° 
Похибка вимірювання в діапазоні ±30° макс. ±0,1° 
Похибка вимірювання в діапазоні макс. ±0,25° 
±180° 
Роздільна здатність ±0,025° (14 біт) 
Температурна залежність < ±0,005%/С° 
Робоча температура -40~80°C 
Цифровий інтерфейс RS-232, 9600 baud, ASCII, 8 data bits, 1 
stop bit, no parity 
  
Напруга живлення 9~24В (стаб.) 
Споживання < 30 мА 
 
Інклінометр STS-421-2 
На рисунку 2.16 зображено цифровий інклінометр STS-421-2, його 
характеристики наведені в таблиці 2.7. 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
27 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 2.16 – Інклінометр STS-421-2 
 
Особливості: 
─ вимірювання нахилу статичних об'єктів; 
─ дві осі виміру; 
─ чутливий елемент - MEMS; 
─ наявність синусоїдної залежності вихідного сигналу від кута 
нахилу; 
─ нормований вихід по струму або по напрузі; 
─ монтаж на друковану плату. 
─  
Таблиця 2.7 - Характеристики інклінометра STS-421-2 
Параметри Характеристики 
Діапазон вимірювань: ±20°, ±30°, ±40°, ±60°, ±80°, ±90° 
Похибка вимірювання < ±1% 
Роздільна здатність < ±0,1% 
Температурна залежність < ±0,01%/С° 
Робоча температура -40~80°C 
Напруга живлення 9~24В (стаб.) 
Споживання < 60 мА 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
28 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
2.3.3 Порівняння існуючих аналогів 
В таблиці 2.8 наведено порівняння існуючих аналогів інклінометрів. 
 
Таблиця 2.8 – Порівняння існуючих аналогів 
Діапазон Похибка Робоча Напруга 
Назва Тип 
вимірювань вимірювання температура живлення 
±0,1° на ±10° в 
geo-Fennel районі від 0° до 90°; 
Портативний 2 х 90° від 0 до 90°С 4,5В 
S-Digit mini ±0,2° в інших 
вимірюваннях 
PRO 360 від -5 до 
Портативний 360° (4х90°) 0,1° 9В 
HAWEKA +50°С 
CM-09606 від 0 до 
Портативний ±15° 1% 5В 
ROMESS +70°C 
±20°, ±30°, 
9~24В 
STS-311-1 Стаціонарний ±40°, ±60°, < ±0,5% -40~80°C 
(стаб.) 
±80°, ±90° 
в діапазоні ±30° - 
±90° або, макс. ±0,1°; 9~24В 
STS-316-2 Стаціонарний -40~80°C 
±180° в діапазоні ±180° - (стаб.) 
макс. ±0,25° 
±20°, ±30°, 
9~24В 
STS-421-2 Стаціонарний ±40°, ±60°, < ±1% -40~80°C 
(стаб.) 
±80°, ±90° 
Виходячи з наведених результатів порівняння, слідує те, що стаціонарні 
інклінометри мають більшу точність вимірювання, а портативні є більш 
універсальними.  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
29 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
3 СТРУКТУРНА СХЕМА ЦИФРОВОГО ВИМІРЮВАЧА 
КУТА НАХИЛУ  
 
Проаналізувавши в попередньому розділу аналоги та технології, 
розглянемо наступну структурну схему цифрового вимірювача кута нахилу, 
зображену на рисунку 3.1.  
 
Модуль візуального Модуль бездротового
 відображення інформації зв'язку
Блок живлення Мікроконтролер
Модуль цифрового Система
 акселерометра  керування пристроєм
 
Рисунок 3.1 – Структурна схема цифрового вимірювача кута нахилу 
 
Основні елементи схеми: 
─ мікроконтролер; 
─ модуль цифрового акселерометра; 
─ модуль візуального відображення інформації; 
─ модуль бездротового зв’язку; 
─ система керування пристроєм; 
─ блок живлення. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
30 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Для зберігання, обробки, та підготовки на виведення даних, що 
надходять, в схемі задіяний мікроконтролер. Він виступає основним 
з’єднувальним елементом в даній схемі. 
Обов’язковим елементом пристрою є датчик вимірювання зміни кута 
нахилу, який в певні проміжки часу буде фіксувати зміну положення пристрою 
відносно гравітаційного поля. В якості датчика зміни кута нахилу буде 
використаний модуль цифрового акселерометра. 
В якості модуля візуального відображення інформації оберемо LCD 
дисплей. Це дасть змогу виводити інформацію в числовому, буквеному та 
графічному вигляді. 
Для універсальності та зручності використання пристрою передбачено 
модуль бездротового зв’язку. За основу оберемо технологію бездротового 
зв'язку Bluetooth. Завдяки цьому ми отримаємо пристрій, який здатний 
виводити інформацію на вбудований LCD дисплей та на інші пристрої, що 
підтримують технологію бездротового зв’язку Bluetooth. 
В якості системи керування пристроєм задіяні тактові кнопки, які 
виступають в ролі клавіатури. 
Для забезпечення живлення пристрою електричною енергією 
використаємо блок живлення. 
  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
31 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
4 ПІДБІР КОМПОНЕНТІВ ПРИСТРОЮ ТА ПРОГРАМНА 
РЕАЛІЗАЦІЯ 
4.1 Порівняння та вибір мікроконтролера 
Для проектування пристрою вимірювання кута нахилу спробуємо 
вибрати відносно недорогий, простий і доступний мікроконтролер. Всі ці 
особливості можна віднести до мікроконтролерів корпорації Atmel. 
Корпорація ATMEL, заснована в 1984, є одним з лідерів в області 
розробки, виробництва сучасних електронних компонентів. 
8-бітні мікроконтролери Atmel AVR є найбільш розповсюдженими і 
унікальним чином поєднують в собі продуктивність, ефективність 
енергоспоживання і гнучкість проектування. Ці пристрої оптимізовані для 
скорочення циклу розробки, володіють найефективнішою в промисловості 
архітектурою для програмування мовою С та асемблер і здатні швидко 
пристосовуватись під будь-які нові вимоги ринку. 
AVR-архітектура, об'єднує потужний гарвардський RISC-процесор з 
роздільним доступом до пам'яті програм і даних, 32 регістра загального 
призначення, кожен з яких може працювати як регістр-акумулятор, і розвинену 
систему команд фіксованої довжини в 16 біт. Більшість команд виконуються за 
один машинний такт з одночасним виконанням поточної і вибіркою наступної 
команди, що забезпечує продуктивність до 1 MIPS на кожен МГц тактової 
частоти. 
32 регістра загального призначення утворюють регістровий файл 
швидкого доступу, де кожен регістр безпосередньо зв'язаний з арифметико-
логічним пристроєм (АЛП). За один такт з реєстрового файлу вибираються два 
операнда, виконується операція, і результат повертається в регістровий файл.  
Регістровий файл також доступний як частина пам'яті даних. 6 з 32-х 
регістрів можуть використовуватися як три 16-розрядних регістра покажчика 
для непрямої адресації. Старші мікроконтролери сімейства AVR мають у складі 
АЛП апаратний помножувач. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
32 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Базовий набір команд містить 120 інструкцій. Інструкції бітових операцій 
включають інструкції установки, очищення та тестування бітів. 
Всі мікроконтролери AVR мають вбудовану FLASH ROM з можливістю 
внутрішньо схемного програмування через послідовний 4-провідний інтерфейс. 
Периферія мікроконтролерів AVR включає: таймери-лічильники, 
широтно-імпульсні модулятори, підтримку зовнішніх переривань, аналогові 
компаратори, 10-розрядний 8-канальний АЦП, паралельні порти (від 3 до 48 
ліній введення і виведення), інтерфейси UART і SPI, сторожовий таймер і т.д. 
Всі ці якості перетворюють мікроконтролери AVR в потужний інструмент для 
побудови сучасних, високопродуктивних і економічних контролерів різного 
призначення. 
В рамках єдиної базової архітектури мікроконтролери AVR 
підрозділяються на три сімейства: 
─ ATtiny – сімейство AVR мікроконтролерів оптимізованих для 
систем, що вимагають відносно великої продуктивності, 
енергоефективності і компактності;  
─ ATmega – сімейство AVR мікроконтролерів призначених для 
використання в найрізноманітніших областях, завдяки великому 
набору периферійних пристроїв, великому обсягу пам'яті програм, 
портів вводу/виводу і т.п.; 
─ ATxmega – нове сімейство AVR мікроконтролерів з ще більшим 
набором периферійних пристроїв ніж у ATmega і з робочими 
частотами до 32.0МГц. 
AVR мікроконтролери підтримують режим сну і режим 
мікроспоживання. В режимі сну зупиняється центральне процесорне ядро, в той 
час як регістри, таймери-лічильники, сторожовий таймер і система переривань 
продовжують функціонувати. В режимі мікроспоживання зберігається вміст 
всіх регістрів, зупиняється тактовий генератор, забороняються всі функції 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
33 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
мікроконтролера, поки не надійде сигнал зовнішнього переривання або 
апаратного скидання. 
Мікроконтролери серії picoPower 
У 2006 році компанія Atmel представила нове сімейство AVR 
мікроконтролерів. Сімейство отримало позначення picoPower. Контролери 
цього сімейства здатні тривалий час працювати від батарейного джерела 
живлення в таких пристроях, як прилади з LCD-дисплеями, управління 
освітленням, системи безпеки, побутова автоматизація, ZigBee-рішення. 
Нові AVR мікроконтролери є оновленою версією популярних 
мікроконтролерів серій ATmega. У позначенні цих мікросхем з'явиться суфікс 
«P». Нові мікросхеми є сумісними функціонально і pin-to-pin з мікросхемами 
ATmega без суфікса. 
Мікросхеми, виконані за технологією picoPower, мають ряд переваг, які 
дозволяють економити енергію в активному та енергозберігаючому режимах:  
─ напруга живлення від 1,8 В; 
─ мінімізований струм витоку; 
─ часовий кварцовий генератор 32 768 Гц з підвищеною економністю; 
─ знижена споживана потужність модуля Flash-пам'яті; 
─ відключення цифрових портів введення/виводу в аналоговому режимі; 
─ інтелектуальне управління споживаної потужністю; 
─ розширені можливості по управлінню тактуванням периферійних 
модулів. 
Так, як система, що проектується, матиме складні та ресурсномісткі 
пристрої для вводу/виводу інформації, а також працюватиме від батарейки типу 
«Крона» оберемо мікроконтролер з сімейства ATmega AVR серії picoPower. 
Для цього проаналізуємо їхні характеристики, що наведені в таблиці 4.1.  
 
 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
34 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Таблиця 4.1 – Порівняльна характеристика мікроконтролерів mega AVR 
Назва 
UART, 
ATmega48P 4 256 512 23 2/1 6 1,8-5,5 20 
SPI, I2C 
UART, 
ATmega88P 8 512 1024 23 2/1 6 1,8-5,5 20 
SPI, I2C 
UART, 
ATmega168P 16 512 1024 23 2/1 6 1,8-5,5 20 
SPI, I2C 
UART, 
ATmega328P 32 1024 2048 23 2/1 6 1,8-5,5 20 
SPI, I2C 
SPI, USI, 
ATmega325P 32 1024 2048 54 2/1 4 1,8-5,5 20 
USART 
SPI, USI, 
ATmega3250P 32 1024 2048 69 2/1 4 1,8-5,5 20 
USART 
 
Найкращим з наведених мікроконтролерів за показниками пам’яті та 
кількості виводів є ATmega328P. 
Основні характеристики даного мікроконтролера: 
1. Пам'ять:  
 32 кБ Flash; 
 2 кБ ОЗУ; 
 1 кБ EEPROM (постійна пам'ять даних). 
2. Периферійні пристрої: 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
35 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
Flash, кбайт 
EEPROM, байт 
ОЗУ, Байт 
Порти вводу/виводу 
Інтерфейси 
8/16 бітні таймери 
ШІМ, каналів 
Напруга живлення, В 
Макс. Тактова частота, МГц 
 
 два 8-бітних таймера/лічильника з модулів порівняння і дільниками 
частоти; 
 16-бітний таймер/лічильник з модулем порівняння і дільником 
частоти, а також з режимом запису; 
 лічильник реального часу з окремим генератором; 
 шість каналів PWM (аналог ЦАП); 
 6-канальний ЦАП з вбудованим датчиком температури; 
 програмований послідовний порт USART; 
 послідовний інтерфейс SPI; 
 інтерфейс I2C; 
 програмований сторожовий таймер з окремим внутрішнім 
генератором; 
 внутрішня схема порівняння напруг; 
 блок обробки переривань і пробудження при зміні напруг на 
виводах мікроконтролера. 
3. Спеціальні функції мікроконтролера: 
 скидання при включенні живлення та програмне розпізнавання 
зниження напруги живлення; 
 внутрішній тактовий генератор; 
 обробка внутрішніх і зовнішніх переривань; 
 6 режимів сну (понижене енергоспоживання і зниження шумів для 
більш точного перетворення АЦП). 
4. Напруги живлення і швидкість процесора: 
 1.8 - 5.5В при частоті до 4 МГц; 
 2.7 - 5.5В при частоті до 10 МГц; 
 4.5 - 5.5 В при частоті до 20 МГц. 
Проаналізуємо обраний мікроконтролер розглянувши схему підключення 
і застосування його портів у цифровому пристрої (рис. 4.1). 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
36 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
 
Рисунок 4.1 – Схема підключення мікроконтролера AVR 
 
На входи VCC та AVCC подається напруга 3,3 В. Входи GND з’єднані з 
корпусом. Для захисту від перешкод, що можуть виникнути по шині живлення, 
безпосередньо перед входами підключено блокувальні конденсатори С3, С4 
номіналом 0,1 мкФ. 
У якості тактування мікроконтролера застосовано зовнішній кварцовий 
резонатор BQ1 на 4 МГц, що підключений до виводів XTAL1, XTAL2. Також 
до нього підключені конденсатори С1, С2 номіналом 22 пФ. 
Щоб попередити хибні спрацювання, до входу Reset підключений 
підтягуючий резистор R1 номіналом 10 кОм. 
Виводи SDA, SCL використовуються для зв’язку мікроконтролера з 
цифровим акселерометром по інтерфейсу I2C(TWI). 
До виходів PB1-PB5 мікроконтролера підключається LCD дисплей. 
Виводи RXD, TXD використовуються для зв’язку мікроконтролера з 
Bluetooth модулем по інтерфейсу UART. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
37 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
На входи PC0-PC3 мікроконтролера надходять сигнали від системи 
керування пристроєм. 
За допомогою виводів RESET, SCK, MISO, MOSI відбувається 
програмування мікроконтролера по шині SPI. 
 
4.2 Вибір та аналіз модуля цифрового акселерометра  
На даний момент на ринку представлений великий асортимент 
акселерометрів як з цифровим, так і з аналоговим виходом. 
Акселерометри з аналоговим виходом дешевші, але вимагають зовнішні 
фільтри і АЦП. З АЦП проблем зазвичай не виникає, адже вони присутні майже 
в кожному микроконтролері. Але такі АЦП зазвичай мають не найкращі 
характеристики, до того ж деякі метрологічні характеристики вбудованих АЦП 
взагалі не вказуються виробниками мікроконтролерів. Аналогові акселерометри 
зазвичай підключаються до АЦП через фільтр низьких частот. Окрім того 
додатково потрібно розрахувати параметри фільтра. 
Перевагою цифрових акселерометрів є те, що вони не вимагають 
зовнішніх компонентів і не потребують ніяких розрахунків: всі їхні 
метрологічні характеристики вказані. Коштувати вони будуть дорожче 
аналогових, але час, що витрачається на розробку системи знижується. 
В таблиці 4.2 розглянуто декілька цифрових акселерометрів. 
 
Таблиця 4.2 – Порівняння цифрових акселерометрів 
Напруга 
Модель Кількість осей Інтерфейс Межі вимірювань 
живлення 
MMA7450 3 2,4 – 3,6 В I2C, SPI ±2g, ±4g, ±8g 
MMA7660 3 2,4 – 3,6 В I2C ±1,5g 
MMA7455 3 2,4 – 3,6 В I2C, SPI ±2g, ±4g, ±8g 
ADXL345 3 2,0 – 3,6 В I2C, SPI ±2g, ±4g, ±8g, ±16g 
SMB380 3 2,4 – 3,6 В I2C, SPI ±2g, ±4g, ±8g 
LIS202DL 2 2,2 – 3,6 В I2C, SPI ±2g, ±8g 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
38 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Як видно з таблиці 4.2 серед розглянутих цифрових акселерометрів 
найкращим вибором за функціональністю є ADXL345 від компанії Analog 
Devices. 
Analog Devices випускає широкий спектр акселерометрів. Існують 
акселерометри з однією, двома і трьома осями чутливості, розрахованими на 
максимальне прискорення від 1,5 до 250 g. Існують версії з комерційним і 
індустріальним діапазоном робочих температур. 
Сімейство ADXL – це базові пристрої, в яких сенсор і електроніка 
реалізовані на єдиному кристалі. Серія ADXL3xx позиціонується для масового 
застосування, ADXL1xx і ADXL2xx призначаються для використання в авто 
електроніці (автомобілебудуванні), промисловості і при створенні пристроїв 
спеціального призначення. 
ADXL345 – це мініатюрний, тонкий, енергоефективний трьохосьовий 
акселерометр з високою роздільною здатністю (13 біт) і діапазоном 
вимірювання до ± 16 g. Цифрові результати вимірювання подаються у вигляді 
16-розрядних чисел в доповняльному коді і доступні через цифрові інтерфейси 
SPI або I2C. 
ADXL345 добре підходить для застосування в мобільних пристроях. 
Компонент здатний вимірювати статичне прискорення, викликане гравітацією, 
в задачах визначення відхилення, а також динамічне прискорення, викликане 
рухом або ударами. Висока роздільна здатність ADXL345  дозволяє вимірювати 
зміни відхилення менш ніж на 1.0°. 
Компонент має кілька спеціалізованих функціональних блоків. Блок 
детектування активності та неактивності дозволяє виявити наявність або 
відсутність руху, а також перевищення прискорення по будь-якій з осей 
встановлюваного користувачем рівня. Детектор торкань виявляє одноразові і 
подвійні торкання в будь-якому з напрямів. Детектор вільного падіння 
визначає, чи знаходиться пристрій в стані падіння. Вихідні сигнали цих 
функціональних блоків можуть виводитися в індивідуальному порядку на будь-
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
39 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
який з двох вихідних висновків переривань. Інтегрований буфер FIFO на 32 
елемента може бути використаний для зберігання даних в цілях мінімізації 
втручання з боку хост-процесора. 
Режими низького енергоспоживання дозволяють реалізувати 
інтелектуальне управління живленням системи з виявленням перевищення 
порогового значення та проведенням вимірювань прискорення при вкрай 
низькій розсіюванній потужності. 
ADXL345 випускається в компактному, тонкому 14-контактному 
пластиковому корпусі з габаритами 3 мм × 5 мм × 1 мм. На ринку також 
присутні готові модулі для макетування (рис. 4.2). 
 
 
Рисунок 4.2 – Акселерометр ADXL345 
 
Особливості та переваги: 
 вкрай низьке енергоспоживання: всього 40 мкА в режимі 
вимірювання та 0.1 мкА в режимі очікування при напрузі 2.5 В; 
 споживана потужність автоматично масштабується зі зміною 
ширини смуги пропускання; 
 технологія з вбудованим буфером FIFO, яка мінімізує навантаження 
на хост-процесор; 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
40 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 детектування торкання/подвійного торкання; 
 контроль активності/неактивності. 
На рисунку 4.3 зображено схему підключення акселерометра до 
мікроконтролера з передачею даних по інтерфейсу I2C (TWI). 
 
 
Рисунок 4.3 – Схема підключення акселерометра до мікроконтролера 
 
На вхід VCC акселерометра подається напруга 3,3 В. Вхід GND з’єднаний 
з корпусом. Виводи SDA, SDL підключені до відповідних виводів 
мікроконтролера через інтерфейс I2C. До цих виводів також підключені 
підтягуючі резистори R2, R3 номіналом 10 кОм.  
Визначення кута нахилу акселерометром 
Для початку розглянемо ідеальний випадок, в якому вісь X об'єкта завжди 
знаходиться в площині дії сили гравітації. Скориставшись шкільним куAрсом 
тригонометрії, отримаємо вираз для обчислення проекції сили гравітації  на 
вісь Х: 
 A = g × sin (α), 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
41 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
де g – прискорення; 
α – кут між віссю акселерометра і горизонтом. 
Зазвичай за горизонт приймають площину, ортогональну силі гравітації 
(рис. 4.4).  
 
 
Рисунок 4.4 – Одноосьовий акселерометр 
 
Через те що вихідне значення акселерометра пропорційне синусу кута 
нахилу в полі гравітації, для визначення кута нахилу отримаємо формулу: 
 
 = arcsin , 
 
дgе A  проекція сили гравітації  на вісь Х; 
 – прискорення. 
Дослідимо характер залежності проекції A від кута нахилу. За 
визначенням чутливість інклінометра виражається відношенням зміни його 
вихідного сигналу до пов'язаних з цим змінами кута нахилу. У одноосьовому 
варіанті, якщо кут нахилу близький до 90º, велика зміна кута призводить до 
невеликої зміни вимірюваного прискорення. Таким чином, чутливість 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
42 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
вимірювання кута нахилу буде прагнути до нуля з наближенням значення кута 
до 90º. 
Важливою характеристикою інклінометра є величина його порога 
чутливості. Ця характеристика визначає мінімальну різницю між двома кутами, 
яку прилад може виміряти. Поріг чутливості акселерометра – це постійна 
величина, а це означає, що для інклінометра вона повинна змінюватися подібно 
його чутливості: найкраще значення в районі кута нахилу 0º і найгірше при 90º. 
Як підібрати акселерометр, який дозволить нам отримати бажаний поріг 
чутливості інклінометра на заданому інтервалі вимірюваних кутів? 
Акселерометр повинен визначити величину, на яку змінюється проекція сили 
гравітації при зміні нахилу на кут рівний порогу чутливості інклінометра. 
Різниця двох показань акселерометра ∆ при зміні кута нахилу представлено 
формулою: 
 ∆= g × (sin(α + ∆!)  sin(a)),  
 
дαе g – прискорення; 
∆ – поточний кут; 
! – крок збільшення кута.  
Досягнення високої роздільної здатності на широкому діапазоні 
вимірювань, в одноосьовому випадку, можливо лише із застосуванням 
акселерометра, який володіє високою роздільною здатністю. Крім того, така 
схема не може працювати в повному діапазоні кутів від 0º до 360º так як 
значення синуса збігаються для кутів Nº і 180º-Nº. 
Позбутися від даних недоліків допоможе введення в систему 
вимірювання додаткової осі чутливості Y, ортогональної до осі X, що також 
знаходиться в площині дії сили гравітації (рис. 4.5). 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
43 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 4.5 – Двохосьовий акселерометр 
 
Подібно ситуації з одним сенсором, значення прискорення виміряне 
акселерометром по осі X буде пропорційним синусу кута нахилу, а значення 
прискорення виміряний акселерометром по осі Y – косинусу кута нахилу. З 
властивостей функцій синуса і косинуса випливає, що в той час як чутливість 
по одній осі буде зменшуватися, за іншою буде збільшуватися. Розрахунок кута 
нахилу  можна провести скориставшись наступною формулою: 
 
tan() = ##$
%; 
 = arctan &##$
%', 
 
Aде A  проекція сили гравітації  на вісь Х; 
у  проекція сили гравітації  на вісь Y. 
На відміну від одноосьового випадку, застосування відношення проекцій 
для обчислення кута нахилу, робить аналітичне визначення порогу чутливості 
непростим завданням. Враховуючи що чутливість по одній осі зростає в той час 
як за іншою вона падає, можна грубо вважати загальну чутливість постійною 
величиною. Така поведінка характеристики значно спрощує вибір 
акселерометра, що володіє необхідною роздільною здатністю. Розрахунок 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
44 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
порога чутливості, виконаний для одного кута, буде справедливий для всього 
інтервалу вимірюваних кутів. 
Будь-який нахил не по осі чутливості призведе до значних помилок 
вимірювання кута нахилу одноосьовим акселерометром. Введення додаткової 
осі чутливості дозволяє отримати досить точні результати, навіть якщо 
присутній нахил по третій осі. Так відбувається завдяки тому, що ефективна 
чутливість інклінометра пропорційна квадратному кореню з суми квадратів 
проекцій сили гравітації на чутливі осі. 
Коли сила гравітації діє тільки в площині XY значення прискорення, яке 
виміряє акселерометр, буде 1g. Нахил в площині XZ або YZ зменшить 
вимірюване прискорення, що в свою чергу знизить чутливість інклінометра. 
Але незважаючи на це, все ще можна отримати точні результати, пов'язані з 
кутом нахилу в площині XY. Ці міркування справедливі тільки для невеликих 
кутів нахилу в площині XZ і YZ. З ростом кута нахилу вплив сили гравітації на 
осі X і Y буде зменшуватися і в результаті неможливо буде взагалі розрахувати 
кут нахилу. 
Крім тог°о, дода°ткова вісь дає нам можливість вимірювати кути в 
діапазоні від 0  до 360  градусів. Досягається це завдяки зміні знака залежного 
від приналежності кута, до того чи іншого квадранту (рис. 4.6). 
 
 
Рисунок 4.6 – Вимірювання кута нахилу в діапазоні від 0° до 360° 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
45 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Належність кута до того чи іншого квадранту, може бути визначена в 
результаті аналізу значень, отриманих для кожної з чутливих осей. 
Введення третьої осі чутливості дозволяє вимірювати всі кути нахилу 
сенсора в просторі. У початковій позиції положення пристрою таке, при якому 
осі X і Y знаходяться в площині горизонту, а вісь Z ортогональна осям X і Y 
 (рис. 4.7). 
 
 
Рисунок 4.7 – Трьохосьовий акселерометр 
У початковій позиції, коли сила гравітації діє тільки на вісь Z, отримаємо, 
що всі значення кутів рівні 0. При цьому, значення кутів , +, , можуть бути 
обчислені за наступними формулами: 
 
 = -./0-1 2 #
3#4 $
%5#4$6; 
+ = -./0-1 &7##4 %
$5#4$'; 
, = -./0-1 2 #$
3#4$5#4%6, 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
46 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Aде A  проекція сили гравітації  на вісь Х; 
у  проекція сили гравітації  на вісь Y. 
Як і в 2-х осьовому варіанті, поріг чутливості постійний і це дозволяє 
точно виміряти значення кутів для всієї сфери. 
Калібрування акселерометра 
Наведені вище міркування для всіх трьох варіантів сенсора, виконані з 
припущенням, що використовується ідеальний акселерометр. А значить, він 
має ідеальну чутливістю і у нього відсутнє будь-яке зміщення нуля. У 
реальності ж MEMS-акселерометр являє собою механічний пристрій і 
незважаючи на те, що він відрегульований, після установки його в інклінометр, 
на нього буде діяти статичне «навантаження». У свою чергу це призведе до 
зміни чутливості і зміщення рівня нуля інклінометра. Як результат інклінометр 
видаватиме значення кутів нахилу з точністю значно гірше заданої. Знизити 
помилку визначення кута нахилу допоможе калібрування нульового значення 
акселерометра та його чутливості. 
Для калібрування акселерометра можна уникнути застосування дорогого 
устаткування. Досить зняти кілька вимірювань акселерометра, коли на нього діє 
тільки сила тяжіння. 
З урахуванням початкового зсуву і чутливості сенсора, усі отримані 
значення від акселерометра  можна представити у такому вигляді: 
 
 A8 = A + K × Aдійсн × sin (α), (4.1) 
 
де A – початкове зміщення; 
KA – коефіцієнт чутливості; 
 αдійсн – дійсне значення прискорення, що діє на сенсор, рівно 1g; 
  – кут між діючим прискоренням і чутливої віссю сенсора. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
47 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
? Завдання початкового калібрування зводиться до знаходження величин 
 і K. Для знаходження зазначених величин необхідно зняти показання з 
акселерометра, в положеннях, коли вісь чутливості послідовно повернута на 
кут 0º, 90º, 180º і 270º. Математично отримані значення можна записати в такій 
формі: 
 
 A	 = A + K × A × sin α + @; (4.2) 
 AA = A
 + K × Aдійсн
дійсн × sin(α + π	); (4.3) 
 AC = A + K × Aдійсн × sin α  @	. (4.4) 
 
Враховуючи, що: 
 DE1() = sin ( + F); 
G G
  sin  + 	 = DE1   	, 
 
то після складення виразів (4.1), (4.2), (4.3) і (4.4) отримаємо:  
A = C8 (A8 + A	 + AA + AC). 
 
Для знаходження коефіцієнта чутливості скористаємося наступною 
тригонометричними тотожністю: 
 
sin  + G
DE1	() +	 = cos (); 
/ID	() = 1. 
 
З(?аписа?вш)и +су(м?у ква?др)аті=в р4із×ниLць ×?8? ?A ×і  ?MD	E1 ?
8 A 	 	 C 	 	 	дійсн 	(C )о+тр/иIмDає(мо): 	 N , 
звідки: 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
48 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
K × Aдійсн = 8	 7(A8  AA)	 + (A	  AC)	. 
 
Розглянутий спосіб калібрування акселерометра не вимогливий до 
початкової орієнтації осі чутливості, що значно спрощує його виконання. 
Описану послідовність дій необхідно провести для кожної з осей чутливості 
акселерометра. 
 
4.3 Вибір модуля візуального відображення інформації 
У радіоаматорській апаратурі добре зарекомендували себе готові LCD 
дисплеї з вбудованим контролером, який формує сигнал і виводить його на 
екран. Ці дисплеї коштують порівняно не дорого і можуть застосовуватися в 
різних пристроях. 
На ринку доступні LCD дисплеї символьного і графічного типу. В доступі 
також є кольорові LCD дисплеї, але їх дістати складніше і коштують вони 
набагато дорожче. 
LCD 5110 є основним графічним дисплеєм для багатьох пристроїв. 
Спочатку дисплей використовувався як екран мобільного телефону. Але 
доступність та велика кількість програмних бібліотек зробила його популярним 
серед радіолюбителів. 
 
 
Рисунок 4.8 – LCD 5110 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
49 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
LCD дисплей використовує контролер PCD8544, з низьким 
енергоспоживанням, розроблений для роботи з графічним дисплеєм з 
розширенням 48 × 84 пікселів. PCD8544 підтримує керування по SPI 
інтерфейсу. 
Особливості: 
─ керування по SPI інтерфейсу; 
─ діапазон напруг  живлення 2,7 до 3,3 В; 
─ граничне значення напруга живлення VDD: 7 В; 
─ граничні значення всіх вхідних напруг: VDD + 0.5 В; 
─ низьке енергоспоживання. 
На рисунку зображено схему підключення LCD дисплея. На вхід VCC 
LCD дисплея подається напруга 3,3 В. Вхід GND з’єднаний з корпусом. До 
виходів PB1-PB5 мікроконтролера підключається LCD дисплей. За допомогою 
кнопки SA1, що з’єднана з корпусом, вмикається/викається підсвічування 
дисплея. 
 
 
Рисунок 4.9 – Схема підключення LCD дисплея 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
50 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
4.4 Вибір та аналіз модуля бездротового зв’язку 
Технологія Bluetooth дозволяє встановлювати бездротову передачу даних 
на невеликій відстані, замінюючи тим самим з'єднання по проводах, які 
традиційно використовувалися для підключення електронних пристроїв. 
Стандарт Bluetooth є компромісним з точки зору співвідношення параметрів 
економічність/дальність/швидкість. 
Основна ідея Bluetooth полягає у створенні універсального, надійного і 
дешевого радіо інтерфейсу бездротового доступу. Технологія Bluetooth 
дозволяє забезпечити поєднання з різним професійним і побутовим 
обладнанням в режимах передачі мови, даних і мультимедіа, при цьому 
гарантується його сумісність з іншим домашнім або офісним обладнанням. 
На рину представлено багато готових рішень Bluetooth модулів, одним з 
них є Bluetooth модулі серії HC від Guangzhou HC Information Technology. 
Одним з них є Bluetooth модуль HC-09. Він позиціонується виробником 
як оновлена версія плат HC-06 і HC-07, від яких незначно відрізняється 
керуючими AT-командами. Bluetooth модуль HC-09 може працювати тільки як 
Slave-пристрій. 
 
 
Рисунок 4.10 – Bluetooth модуль HC-09 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
51 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Bluetooth модуль HC-09 – це зручний засіб для організації управління 
мікроконтролерними пристроями за допомогою телефону, планшета або 
ноутбука. В таблиці 4.3 наведено його характеристики. 
 
Таблиця 4.3 – Характеристики Bluetooth модуля HC-09 
Параметри Характеристики 
Чутливість: -84 дБ 
Потужність передавача: +4 дБм 
Тип модуля: Qualified Bluetooth V2.0 + EDR 3Mbps 
Modulation 
Тип модуляції: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) 
Швидкість (baudrate): 2400, 4800, 9600 (за замовчуванням), 
19200, 38400, 57600, 115200, 230400 
Напруга та струм 3.3В, 25мА 
живлення 
Робоча температура: -20… +70° С 
Розміри: 26.9мм x 13мм x 2.2мм 
Особливості: низьке енергоспоживання, 
UART інтерфейс з програмованою 
швидкістю, 
вбудована антена 
На рисунку 4.11 зображено схему підключення Bluetooth модуля до 
мікроконтролера.  
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
52 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 4.11 – Схема підключення Bluetooth модуля до мікроконтролера 
 
Виводи RXD, TXD використовуються для зв’язку мікроконтролера з 
Bluetooth модулем по інтерфейсу UART. 
На вхід VCC Bluetooth модуля подається напруга 3,3В. Входи GND 
з’єднані з корпусом. До 24 виводу Bluetooth модуля підключено світлодіод, 
який є індикатором стану бездротового з’єднання. 
 
4.5 Вибір система керування пристроєм 
За систему керування пристроєм, оберемо схему подачі сигналів за 
допомогою тактових кнопок (рис. 4.12), де одні виводи кнопок підключені до  
входів PC0-PC3 мікроконтролера, а інші до корпусу. 
Також до провідників, що прямують до входів мікроконтролера 
підключено підтягуючі резистори номіналом 10кОм. 
 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
53 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 4.12 – Схема керування пристроєм 
 
4.6 Вибір та аналіз блоку живлення 
Широке застосування в електроніці знайшли інтегральні стабілізатори 
напруги і особливо один їх вид - стабілізатори з фіксованою вихідною 
напругою в трьохвивідних корпусах. Вони гарні тим, що не вимагають 
зовнішніх елементів (крім конденсаторів в якості фільтрів), регулювань і мають 
широкий діапазон струмів в навантаженнях.  
Невисока вартість, простота застосування і велика різноманітність 
вихідних напруг і корпусів роблять ці компоненти популярними при створенні 
простих схем електроживлення. Треба відзначити, що регулятори мають ряд 
додаткових функцій, що забезпечують безпеку функціонування. До них 
відносяться захист від перевантаження по струму і температурний захист від 
перегріву мікросхеми. 
Так як для живлення пристрою використовується батарейка типу «Крона» 
з напругою 9 В, а робоча напруга мікросхем 3,3 В, тому увімкнемо в схему 
стабілізатор напруги типу LD1117. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
54 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Компанія STMicroelectronics – світовий лідер виробництва 
напівпровідникових продуктів випустила серію стабілізаторів напруги 3,3 В  з 
низьким падінням напруги, що забезпечують вихідний струм до 800 мА. У 
даній серії є наступні номінали вихідних напруг: 1,2 В, 1,8 В, 2,5 В, 2,85 В, 3 В, 
3,3 В і 5 В. Також доступна модифікація з вихідною напругою 1,25 В. Висока 
енергоефективність забезпечується транзистором NPN типу. 
Особливості: 
─ низьке падіння напруги 1 В; 
─ номінальний вихідний струм до 800 мА; 
─ вихідна напруга 3,3 В; 
─ захист від короткого замикання; 
─ вбудований тепловий захист від перевантаження; 
─ похибка вихідної напруги ±1%. 
На рисунку 4.13 зображено схему підключення блока живлення.  
 
 
Рисунок 4.13 - Схема підключення блоку живлення 
 
Згідно рекомендації виробника до виводів LD1117-3.3 підключено 
електролітичні конденсатори С5, С6 ємністю10 мкФ та 22 мкФ.  
Кнопка SA6 використовується для ввімкнення/вимкнення пристрою 
  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
55 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
4.7 Підключення і програмна реалізація пристрою 
Підключення компонентів: 
Найефективніший і найпростіший спосіб реалізації прототипу пристрою – 
використання в якості основи плати Arduino. 
Датчик акселерометра ADXL345 підключається до наступних виводів: 
   - VCC -> 3.3V 
   - GND -> GND 
   - SCL -> A5 (або SCL на платі Arduino) 
   - SDA -> A4 (або SDA на платі Arduino) 
 
Рідкокристалічний дисплей LCD 5110 підключається до наступних 
виводів: 
   - RST -> Pin 8 
   - CE -> Pin 9 
   - DC -> Pin 10 
   - DIN -> Pin 11 
   - CLK -> Pin 13 
   - VCC -> 3.3V 
   - LIGHT -> GND 
   - GND -> GND 
 
Bluetooth модуль HC-09 підключається до наступних виводів: 
   - VCC -> 5V 
   - GND -> GND 
   - TXD -> Pin 2 (RX) 
   - RXD -> Pin 3 (TX)  
 
  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
56 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
Програмна реалізація: 
Для даної програми потрібні наступні бібліотеки для роботи з 
акселерометром ADXL345, дисплеєм LCD 5110 та для використання 
програмного послідовного порту:  
   - `Wire.h` для I2C з'єднання. 
   - `Adafruit_ADXL345_U.h` та `Adafruit_Sensor.h` для роботи з 
ADXL345. 
   - `Adafruit_GFX.h` та `Adafruit_PCD8544.h` для дисплея LCD 5110. 
   - `SoftwareSerial.h` для Bluetooth модуля. 
 
Підключення бібліотек: 
#include <Wire.h> 
#include <Adafruit_Sensor.h> 
#include <Adafruit_ADXL345_U.h> 
#include <Adafruit_GFX.h> 
#include <Adafruit_PCD8544.h> 
#include <SoftwareSerial.h> 
 
Підключення акселерометра ADXL345, яке полягає в створенні 
екземпляру об’єкта класу Adafruit_ADXL345_Unified. 
Adafruit_ADXL345_Unified accel = Adafruit_ADXL345_Unified(); 
 
Підключення дисплея LCD 5110, яке полягає в створенні екземпляру 
об’єкта класу Adafruit_PCD8544, з зазначенням виводів до яких даний дисплей 
підключено. 
Adafruit_PCD8544 display = Adafruit_PCD8544(8, 9, 10, 11, 13); 
 
Підключення Bluetooth модуля, яке полягає в створенні екземпляру 
об’єкта класу SoftwareSerial, з зазначенням виводів до яких модуль підключено. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
57 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
SoftwareSerial BTSerial(2, 3); // RX, TX 
 
В функції setup() виконується ініціалізація роботи всіх модулів і 
протоколів зв’язку. 
void setup() { 
Ініціалізація серійних портів: 
Стандартного для можливості відлагоджування програми: 
  Serial.begin(9600); 
І програмного для обміну інформацією з Bluetooth модулем: 
  BTSerial.begin(9600); 
 
Ініціалізація акселерометра відбувається у випадку якщо метод 
ініціалізації повернув коректні дані, інакше виводиться повідомлення про 
помилку. 
  if (!accel.begin()) { 
    Serial.println("Не вдається знайти ADXL345"); 
    while (1); 
  } 
  accel.setRange(ADXL345_RANGE_2_G); 
Ініціалізація дисплея полягає у безпосередньо ініціалізації, встановленні 
значення контрастності, очищенні дисплея і запуску його на відображення. 
  display.begin(); 
  display.setContrast(50); 
  display.clearDisplay(); 
  display.display(); 
} 
 
Функція loop() є нескінченним циклом, який містить у собі логіку роботи 
програми. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
58 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
void loop() { 
 
Створення змінних подій: 
  sensors_event_t event; 
  accel.getEvent(&event); 
 
Отримання даних з акселерометра: 
  float x = event.acceleration.x; 
  float y = event.acceleration.y; 
  float z = event.acceleration.z; 
 
Виведення даних на дисплей 
  display.clearDisplay(); 
  display.setTextSize(1); 
  display.setTextColor(BLACK); 
  display.setCursor(0, 0); 
  display.print("X: "); display.println(x); 
  display.print("Y: "); display.println(y); 
  display.print("Z: "); display.println(z); 
  display.display(); 
 
Відправка даних через Bluetooth 
  BTSerial.print("X: "); BTSerial.print(x); 
  BTSerial.print(" Y: "); BTSerial.print(y); 
  BTSerial.print(" Z: "); BTSerial.println(z); 
 
Затримка для уникнення перевантаження 
  delay(500); 
}  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
59 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
ВИСНОВКИ 
 
У даній випускній роботі розглянуто принцип визначення кутів нахилу 
об’єктів за допомогою цифрового акселерометра. 
На основі проведеного аналізу технологій та доступних аналогів успішно 
розроблена структурна схема цифрового пристрою, наведено його опис роботи 
та основні відомості про роботу окремих модульних частин схеми. 
Даний пристрій можливо використовувати в різних сферах виробництва 
та побуту, оскільки були виконані поставлені вимоги до розроблюваного 
пристрою, а саме: 
 можливість виміру кута нахилу об’єкта в трьох осях; 
 можливість виведення інформації на модуль візуального відображення 
інформації; 
 можливість виведення інформації на інші пристрої за допомогою 
технології бездротового зв’язку; 
 можливість редагування налаштувань; 
 компактність та портативність приладу.  
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
60 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
1. Краснов В.М., Мельніков Д.Є. Електроніка, схемотехніка та 
мікропроцесори: навч. посіб. – К.: Бізнес Медіа Консалтинг, 2014. – 216 с. 
2. Datasheet мікроконтролера atmega 328. – Режим доступу: 
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-
AVRMicrocontroller-ATmega328-328P_Datasheet.pdf. Дата доступа: 
18.11.2017. 
3. Безвесільна О. М. Статична похибка п'єзоелектричного акселерометра 
[Текст] / О. М. Безвесільна, А. Г. Ткачук // Вісник інженерної академії 
України. 
4. Безвесільна О. М. Технологічні вимірювання та прилади. Перетворюючі 
пристрої приладів та комп’ютеризованих систем : підруч. Для студентів 
вищ. навч. закл. / О. М. Безвесільна, Г. С. Тимчик. – Житомир : ЖДТУ, 
2012. – 812 с. – 2011. – №2. – С. 150-154. 
5. Webster J. G. Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook. Spatial, 
Mechanical, Thermal, and Radiation Measurement / J. G. Webster, H. Eren. – 
Boca Raton : CRC Press, 2014. – 2nd ed. – 1603 p. 
6. Sensor Signal Conditioning – An IC Designer's Perspective // Sensors 
Magazine. – New York : IEEE, 1991. – P. 23-30. 
7. Технічні засоби автоматизації: Підручник / І.Ш. Невлюдов, А.О. 
Андрусевич, О.І. Филипенко, Н.П. Демська, С.П. Новоселов. – Кривий 
Ріг: Криворізький коледж НАУ, 2019. – 366 с. 
8. Аврутов В. В. Испытания инерциальных приборов: Учебное пособие / В. 
В. Аврутов. – Киев : НТУУ «КПИ им. Игоря Сикорского», 2016. – 205 с. 
9. Лазарєв Ю.Ф. Основи теорії чутливих елементів систем орієнтації 
[Текст]: підруч./ Ю.Ф.Лазарєв, П.М.Бондар. – К.: НТУУ "КРІ", 2011. – 
644 с. – бібліогр.: с.526-628. ISBN 978-966-622-434-0 
10. П. М. Бондар, Ю. В. Степанковський, Фізичні основи орієнтації і навігації 
Ч.2., Елементи теорії гіроскопічних явищ,Ч.3 Коливання й хвилі, 2009 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
61 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
11. Метод підвищення точності вимірювання прискорень гіростабілізованих 
платформ https://osatrq.edu.ua/wp-content/uploads/2016/11/Metod-
pidvishhennyatochnosti-vimiryuvannya-priskoren-girostabilizovanih-
platform.pdf 
12. Лещишин Ю.З., Романишин Н.Р., Наконечний В.В., Паламарчук А.О. 
Розробка системи зв’язку як інтегрованого елементу роботизованих 
систем. Проблеми створення, розвитку та застосування 
високотехнологічних систем спеціального призначення з урахуванням 
досвіду антитерористичної операції. Збірник тез доповідей ХXІ 
Всеукраїнської науково-практичної конференції. – Житомир, 2016. 102 с 
13. Лещишин Ю. З., Чепис О. В., Наконечний В. В. Вбудована система 
підтримання швидкості пілотажних моделей літаків. Актуальні задачі 
сучасних технологій. Збірник тез доповідей ІX Міжнародної науково-
технічної конференції молодих учених та студентів. Том ІІ. Тернопіль, 
2020. 37 с 
14. Калібрування датчиків системи орієнтації. Дослідження в напрямку 
галузі безплатформових систем орієнтації. 2015. С. 63–80. 
15. Ступницький А. О. Програмно-апаратний модуль зв’язку і управління 
рухомим об’єктом. Київ, 2019. с. 23–26. 
16. Гібридні мікроелектромеханічні гіроскопи і акселерометри / Коновалов 
С.Ф., Пономарьов Ю.А., Майоров Д.В., Подчезерцев В. П., Сидоров А.Г. 
//Наука та освіта 
17. Бурштинський М.В., Хай М.В., Харчишин М.Б. Давачі: навчальний 
посібник. Львів, 2014. 198 с. 
18. . Скрипець А.В., Тронько В.Д., Асанов М.М. Спосiб реєстрацiї кута 
обертання площини поляризацiї свiтлового променя з використанням 
оптично прозорих феримагнiтних кристалiв. – Укр. фіз. журн. №9,2003 р. 
19. . Ванько В.М., Поліщук С.Є., Дорожовець М.М. Вимірювальні 
перетворювачі (сенсори): підручник. Львів, 2015. 580 с. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
62 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 
 
20. Класифікаційний аналіз помилок вимірювання сенсора: веб-сайт 
URL:http://l2u.su/qcvY (дата звернення: 12.02.19). 
21. ADXL34 3-Axis, ±2 g/±4 g/±8 g/±16 g Digital Accelerometer - Режим 
доступу до ресурсу: http://www.analog.com/en/products/mems/mems-
accelerometers/adxl345.html#product-documentation. 
22. Графический LCD дисплей 84x48 Nokia 5110 – Режим доступу до 
ресурсу: http://arduino-kit.com.ua/product_303.html. 
23. LD1117 Adjustable and fixed low drop positive voltage regulator – Режим 
доступу до ресурсу: http://www.st.com/web/catalog/sense_power/FM142/ 
CL1015/SC312/PF66694. 
Арк. 
ЧДТУ.242035.001 ПЗ 
63 
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата