Дослідження дистанційних датчиків для вимірювання кута нахилу

Шульгін, Віталій Володимирович

Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6442

Назва:	Дослідження дистанційних датчиків для вимірювання кута нахилу
Автори:	Зубко, Ігор Анатолійович Шульгін, Віталій Володимирович
Дата публікації:	січ-2026
Короткий огляд (реферат):	Актуальність дослідження дистанційних датчиків для вимірювання кута нахилу в сучасному світі є надзвичайно високою з кількох причин, особливо в контексті новітніх технологій та потреб нашої країни в період війни. Відповідність сучасному рівню розвитку науки і техніки: В кваліфікаційній роботі освітнього ступеня «магістр» було розглянуто принцип визначення кутів нахилу об’єктів за допомогою цифрового акселерометра. Проведено аналіз технологій та доступних аналогів цифрових вимірювачів кута нахилу. Було проведено порівняння аналогів та визначено технічні вимоги для розроблюваного пристрою. Також розроблено модель цифрового пристрою відповідно до вимог.
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу):	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6442
Розташовується у зібраннях:	123 Комп’ютерна інженерія (Спеціалізовані комп’ютерні системи)

Файли цього матеріалу:

Файл	Опис	Розмір	Формат
М_123_2025_Шульгін.pdf Restricted Access		1.89 MB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії

Показати повний опис матеріалу Перегляд статистики

Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.

Extracted text

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ
СИСТЕМ

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеню «магістр»

на тему: ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСТАНЦІЙНИХ ДАТЧИКІВ ДЛЯ
ВИМІРЮВАННЯ КУТА НАХИЛУ”

Виконав: студент 2 курсу,
групи МСКС-2407
спеціальності
123 Комп’ютерна інженерія
освітня програма «Спеціалізовані
комп’ютерні системи»
Віталій ШУЛЬГІН
(прізвище та ініціали)

Керівник Ігор ЗУБКО
( прізвище та ініціали)
Рецензент
(прізвище та ініціали)

Захист дозволяю:

зав. кафедри, д.т.н., професор
Валентина ЛУКАШЕНКО
(підпис) (ім’я та ПРІЗВИЩЕ)

Черкаси 2025 року

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ............. 3
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ .................................. 4
РОЗДІЛ 1 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ АНАЛОГІВ ТА РІШЕНЬ ......... 9
1.1 Аналіз технології ................................................................................. 9
1.2 Технологія iMEMS ............................................................................ 16
1.3 Точність інтегральних акселерометрів ........................................ 21
1.4 Аналіз існуючих аналогів ................................................................ 25
РОЗДІЛ 2 МОДЕЛЬ ЦИФРОВОГО ВИМІРЮВАЧА КУТА
НАХИЛУ ............................................................................................... 38
2.1 Порівняння та вибір мікроконтролера......................................... 39
2.2 Вибір та аналіз модуля цифрового акселерометра .................... 46
2.3 Вибір модуля візуального відображення інформації ................. 59
2.4 Вибір та аналіз модуля бездротового зв’язку .............................. 61
2.5 Вибір система керування пристроєм ............................................ 64
2.6 Вибір та аналіз блоку живлення .................................................... 65
РОЗДІЛ 3 ПІДКЛЮЧЕННЯ КОМПОНЕНТІВ ПРИСТРОЮ ТА
ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ ............................................................ 68
3.1 Підключення пристрою ................................................................... 68
3.2 Програмна реалізація пристрою .................................................... 69
ВИСНОВКИ ......................................................................................... 73
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ........................................ 75
2
У

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ ТА УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

АС – Автоматизована система
БД – База даних
ЗУ – Засоби управління
ІАФ – Ідентифікація та автентифікація
ІД – Ідентифікатор доступу
ОС – Операційна система
ПЗ – Програмне забезпечення
СЗІ – Система захисту інформації
СКУД – Система контролю та управління доступом
ТЗЗБ – Технічні засоби забезпечення безпеки
3

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми
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.
Актуальність дослідження дистанційних датчиків для вимірювання
кута нахилу в сучасному світі є надзвичайно високою з кількох причин,
особливо в контексті новітніх технологій та потреб нашої країни в період
війни. Наведено деякі аргументи, такі як розвиток автоматизації та
робототехніки, зокрема, сучасні системи автоматизації, автономні
роботи, безпілотні літальні апарати та мобільні платформи потребують
високоточного контролю положення. Дистанційні датчики кута нахилу
забезпечують точні дані без механічного контакту, що підвищує
надійність систем.
Також актуальне застосування у критичній інфраструктурі,
зокрема, для України важливими є:
 моніторинг стану мостів, будівель, ЛЕП;
 оцінка деформацій споруд в умовах війни чи після обстрілів;
 контроль нахилу сонячних панелей.
4

Дистанційні датчики дозволяють проводити вимірювання без
фізичного доступу до небезпечних чи важкодоступних ділянок.
Набувають широкого поширення безпілотні технології, зокрема,
UAV/БПЛА активно застосовуються у військовій сфері та цивільному
секторі. Для стабілізації польоту, навігації та систем наведення потрібні
точні та легкі датчики нахилу.
Також актуальності надає застосування в сфері енергоефективності
та відновлення джерел енергії, наприклад, вітрові та сонячні
електростанції використовують датчики кута для:
 стеження за положенням турбін;
 коригування положення сонячних панелей.
В сучасному світі дистанційні сенсори дозволяють робити це без
знесення і з високою точністю. Можна навести переваги безконтактних
технологій, по перше, це відсутність механічного зношення, по друге,
підвищена довговічність, по третє, можливість роботи у складних умовах
(температура, вібрації, шкідливі речовини) а також можливість
дистанційного збирання даних.
Наша країна в цей важкий період війни потребує своїх
технологічних рішень для промисловості, а особливо для оборонної
сфери. Дослідження нових видів дистанційних сенсорів (лазерних,
інфрачервоних, радіолокаційних) сприяє розвитку сучасних вітчизняних
розробок.
Дослідженням дистанційних датчиків для вимірювання кута нахилу
присвячені роботи відомих вітчизняних та зарубіжних вчених, таких як
Dae Woong Ha, Hyo Seon Park, Se Woon Choi, Yousok Kim, Seyedmilad
Komarizadehasl, Mahyad Komary, Ahmad Alahmad, José Antonio Lozano-
Galant, Gonzalo Ramos, Jose Turmo, N. Crespy, J. Courteaud, P. Combette, P.
Temple Boyer, A. Giani, A. Foucaran та багатьох інших.
5

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.
Тема є актуальною через широкий спектр сучасних застосувань,
важливість для інфраструктурної безпеки України, потреби оборонного
сектору та розвиток автоматизованих систем. Дистанційні датчики
нахилу — це ключовий елемент сучасних високотехнологічних рішень,
що робить дослідження у цій сфері важливим та перспективним.
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 кваліфікаційній роботі магістра 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.

Мета і задачі дослідження. Метою 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:
6

─ провести аналіз технологій та доступних аналогів цифрових
вимірювачів кута нахилу;
─ порівняти аналоги та визначити технічні вимоги для
розроблюваного пристрою;
─ розробити модель цифрового пристрою відповідно до вимог
обрати та дослідити елементну базу.

Об’єкт дослідження – процес вимірювання кута нахилу об’єктів.

Предмет дослідження – дистанційні датчики для вимірювання
кута нахилу.

Методи дослідження базуються на використанні метода
системного аналізу, аналітичного методу та методу моделювання.

Новизна отриманих результатів:
─ Проведено аналіз технологій та доступних аналогів цифрових
вимірювачів кута нахилу та порівняння аналогів;
─ Проведено аналіз переваг розробленого пристрою в
порівнянні з аналогами.

Практичне значення одержаних результатів полягає в доведенні
отриманих наукових результатів до конкретних інженерних рішень:
─ Запропоновано модель цифрового пристрою відповідно до
вимог.
─ Запропонована програмна реалізація цифрового пристрою
для вимірювання кута нахилу.

Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідалися й
7

обговорювалися на студентській науковій конференції:
− дні студентської науки ЧДТУ, 23 квітня, м. Черкаси,
Україна, 2025.

Структура та обсяг випускної роботи. Кваліфікаційна
робота магістра складається із загальної характеристики роботи, 4
розділів, висновків та списку використаних джерел. Робота
викладена на 83 сторінках. Ілюстрована 40 рисунками та має
5 таблиць. Список використаних джерел містить 41 найменування.

8

РОЗДІЛ 1
ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ АНАЛОГІВ ТА РІШЕНЬ

1.1 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.
9

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 характеристики і ціни. Порівняння основних типів
акселерометрів наведено в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1
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
10

На рисунку 1.1 показано області, які займають акселерометри
різного типу в порівнянні «Якість-ціна».

Рис. 1.1. 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.
11

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.

Рис. 1.2. 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. 1.3). Трьома тонкими кремнієвими балками c, d і e,
12

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. 1.3). Кожна з коротких зовнішніх
(вигинистих) балок містить пару п’єзорезисторів, що утворюють
напівміст. Два напівмоста з'єднуються в мостову схему.
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.

Рис. 1.3. Інтегральні акселерометри об’ємної конструкції

Інтегральні датчики прискорення об'ємної конструкції мають ряд
недоліків.
13

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, 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
14

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 1.4 в
одновимірному виконанні і може бути перетворена в двовимірний або
тривимірний варіант.

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);

Рис. 1.4. Фізичні моделі структур двох датчиків прискорення

Крім вимірювальних напрямків найважливішими відмінностями
даної технології від об'ємної є наявність великого числа вимірювальних
15

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.

1.2 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 1.5(а) показано технологію отримання поверхневої
мікромеханічної вимірювальної структури інтегрального датчика.

Рис. 1.5. 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
16

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. 1.5(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. 1.6).
За відсутності прискорення ємності в комірці майже однакові, якщо
ж прискорення відмінне від нуля, пластинка зміщується, і баланс
ємностей порушується. Крім того, можлива наявність додаткових
балкових структур, які використовуються для зміщення механіки сенсора
за допомогою зовнішньої напруги – для перевірки функціональності
датчика або так званого само тестування.

17

Рис. 1.6. Диференціальна вимірювальна система на основі парних
ємностей з балками, закріплених на підкладці

На рисунку 1.7 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.

Рис. 1.7. Оптичне зображення сенсорної частини двохосьового
акселерометра
18

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. 1.8).
При відсутності прискорення відсутнє і зміщення механіки, а
значить і ємності рівні, тому вихідний сигнал змінної напруги, що
знімається з рухомої пластини, також практично дорівнює нулю. При
наявності прискорення баланс ємностей порушується, і з'являється
змінний сигнал.

19

Рис. 1.8. 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
20

пропорційне відношенню тривалості імпульсу до періоду послідовності.
У лінійці інтелектуальних датчиків сімейства Analog Devices існують
також варіанти з цифровим вихідним сигналом, що передається по SPI-
інтерфейсу.

1.3 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;
21

─ закріплення датчика при калібруванні прискорень більше g
являє певну проблему.
Переваги застосування для калібрування сили тяжіння:
─ не потрібно дороге обладнання;
─ 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. 1.10).

22

Рис. 1.9. Графік залежності різниці ємкості конденсаторів із
комірки датчика прискорення від переміщення рухливої пластини

Рис. 1.10. Спрощена конструкція датчика прискорення мікросхеми
сімейства XMMA

23

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 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
24

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.

1.4 Аналіз існуючих аналогів
Портативні інклінометри
Електронний рівень (інклінометр) geo-Fennel S-Digit mini
Електронний рівень geo-Fennel S-Digit mini (рис. 1.11) відрізняється
зручністю і простотою експлуатації. Конструкція виготовлена в
металевому корпусі, всередині якого розташовується електронний рівень.
Матеріал пристрою надійно захищає його від зовнішніх механічних
впливів.
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.

25

Рис. 1.11. Електронний рівень (інклінометр) geo-Fennel S-Digit mini

В таблиці 1.2 наведені основні характеристики портативного
інклінометра.

Таблиця 1.2
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

26

Електронний інклінометр PRO 360 HAWEKA
На рисунку 1.12 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.

Рис. 1.12. 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.
27

─ конструкція приладу дозволяє вимірювати кути як
вертикальних, так і горизонтальних поверхонь.
В таблиці 1.3 наведені основні характеристики портативного
інклінометра PRO 360 HAWEKA.

Таблиця 1.3
Характеристики інклінометра PRO 360 HAWEKA
Параметри Характеристики
Діапазон вимірювань 360° (4 × 90°)
Точність 0,1°
Повторюваність +0,1°
Діапазон робочих
від -5 до +50° С
температур
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».
28

Електронний інклінометр складається з дисплея і власне
інклінометра, що має вигляд електронного рівня з 2 вирівнюючими
пристосуваннями (рис. 1.13).
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);
─ 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 1.4 наведені основні характеристики портативного
інклінометра CM-09606 ROMESS.

29

Рис. 1.13 – Електронний інклінометр CM-09606 ROMESS

Таблиця 1.4
Характеристики інклінометра CM-09606 ROMESS
Параметри Характеристики
Датчик виміру Спеціалізований мікропроцесор
Діапазон виміру кутів ±15°
Роздільна здатність 0,001
Точність вимірювання 1%
30

Діапазон робочих температур від 0 до +70°C
Інтерфейс передачі даних RS-232
5В/0.8Вт, 4х1.2В Ni-Cd
Електроживлення
акумулятори
Габаритні розміри 450х378х90 мм
Вага 3,5 кг

Стаціонарні інклінометри
Інклінометр STS-311-1
На рисунку 1.14 зображено цифровий інклінометр STS-311-1, його
характеристики наведені в таблиці 1.5.

Рис. 1.14. Інклінометр STS-311-1

31

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 1.5
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 1.15 зображено цифровий інклінометр STS-316-2, його
характеристики наведені в таблиці 1.6.

32

Рис. 1.15. Інклінометр STS-316-2

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 1.6
Характеристики інклінометра STS-316-2
Параметри Характеристики
Діапазони вимірювання ±90° або, ±180°
Похибка вимірювання в макс. ±0,1°
діапазоні ±30°
33

Похибка вимірювання в макс. ±0,25°
діапазоні ±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 1.16 зображено цифровий інклінометр STS-421-2, його
характеристики наведені в таблиці 1.7.

Рис. 1.16. Інклінометр STS-421-2

34

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 1.7
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

1.3.3 Порівняння існуючих аналогів
В таблиці 1.8 наведено порівняння існуючих аналогів
інклінометрів.
35

Таблиця 1.8
Порівняння існуючих аналогів
Діапазон Робоча Напруга
Похибка
Назва Тип вимірюван температур живленн
вимірювання
ь а я
±0,1° на ±10° в
районі від 0° до
geo-Fennel Портативни
2 х 90° 90°; від 0 до 90°С 4,5В
S-Digit mini й
±0,2° в інших
вимірюваннях
PRO 360 Портативни від -5 до
360° (4х90°) 0,1° 9В
HAWEKA й +50°С
CM-09606 Портативни від 0 до
±15° 1% 5В
ROMESS й +70°C
±20°, ±30°,
Стаціонарни 9~24В
STS-311-1 ±40°, ±60°, < ±0,5% -40~80°C
й (стаб.)
±80°, ±90°
в діапазоні ±30° -
Стаціонарни ±90° або, макс. ±0,1°; 9~24В
STS-316-2 -40~80°C
й ±180° в діапазоні ±180° - (стаб.)
макс. ±0,25°
±20°, ±30°,
Стаціонарни 9~24В
STS-421-2 ±40°, ±60°, < ±1% -40~80°C
й (стаб.)
±80°, ±90°

Виходячи з наведених результатів порівняння, слідує те, що
стаціонарні інклінометри мають більшу точність вимірювання, а
портативні є більш універсальними.
36

Завданням магістерської 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.

37

РОЗДІЛ 2
МОДЕЛЬ ЦИФРОВОГО ВИМІРЮВАЧА
КУТА НАХИЛУ

Проаналізувавши в попередньому розділу аналоги та технології,
розглянемо наступну структурну схему цифрового вимірювача кута
нахилу, зображену на рисунку 2.1.

Модуль візуального Модуль бездротового
відображення інформації зв'язку
Блок живлення Мікроконтролер
Модуль цифрового Система
акселерометра керування пристроєм

Рис. 2.1 – Структурна схема цифрового вимірювача кута нахилу

Основні елементи схеми:
─ мікроконтролер;
─ модуль цифрового акселерометра;
─ модуль візуального відображення інформації;
─ модуль бездротового зв’язку;
─ система керування пристроєм;
38

─ блок живлення.
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.

2.1 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.
39

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.
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.
40

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
мікроконтролера, поки не надійде сигнал зовнішнього переривання або
апаратного скидання.
Мікроконтролери серії picoPower
41

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 2.1.

42

Таблиця 2.1
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,
ATmega325P 32 1024 2048 54 USI, 2/1 4 1,8-5,5 20
USART
SPI,
ATmega3250
32 1024 2048 69 USI, 2/1 4 1,8-5,5 20
P
USART

43

Flash, кбайт
EEPROM, байт
ОЗУ, Байт
Порти вводу/виводу
Інтерфейси
8/16 бітні таймери
ШІМ, каналів
Напруга живлення, В
Макс. Тактова частота,
МГц

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:
 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;
2
 інтерфейс I C;
 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;
44

 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. 2.2).

Рис. 2.2 – 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
45

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.
На входи PC0-PC3 мікроконтролера надходять сигнали від системи
керування пристроєм.
За допомогою виводів RESET, SCK, MISO, MOSI відбувається
програмування мікроконтролера по шині SPI.

2.2 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.
46

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 2.2 розглянуто декілька цифрових акселерометрів.

Таблиця 2.2
Порівняння цифрових акселерометрів
Кількість Напруга Межі
Модель Інтерфейс
осей живлення вимірювань
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
±2g, ±4g, ±8g,
ADXL345 3 2,0 – 3,6 В I2C, SPI
±16g
SMB380 3 2,4 – 3,6 В I2C, SPI ±2g, ±4g, ±8g
LIS202DL 2 2,2 – 3,6 В I2C, SPI ±2g, ±8g

Як видно з таблиці 2.2 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.
47

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-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
48

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. 2.3).

Рис. 2.3 – 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;
 детектування торкання/подвійного торкання;
 контроль активності/неактивності.
49

На рисунку 2.4 зображено схему підключення акселерометра до
мікроконтролера з передачею даних по інтерфейсу I2C (TWI).

Рис. 2.4 – 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 курсом тригAонометрії, отримаємо вираз для обчислення
проекції сили гравітації на вісь Х:
A = g × sin (α),
50

де g – прискорення;
α – кут між віссю акселерометра і горизонтом.
Зазвичай за горизонт приймають площину, ортогональну силі
гравітації (рис. 2.5).

Рис. 2.5. – 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
51

чином, чутливість 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.
Далі в роботі підбираємо 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. 2.6).
52

Рис. 2.6. 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 &##$
%',

де A проекція сили гравітації на вісь Х;
53

Aу 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 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 того°, додатко°ва 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. 2.7).
54

Рис. 2.7. Вимірювання кута нахилу в діапазоні від 0° до 360°

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. 2.8).

55

Рис. 2.8 – Трьохосьовий акселерометр

У початковій позиції, коли сила гравітації діє тільки на вісь Z,
отрим а,є+мо ,, що всі значення кутів рівні 0. При цьому, значення
кутів , можуть бути обчислені за наступними формулами:

= -./0-1 2 #
3#4%5$ #4$6;
+ = -./0-1 &7##45%$ #4$';
, = -./0-1 2 #
#45$3 $ #4%6,

дAе A проекція сили гравітації на вісь Х;
у проекція сили гравітації на вісь Y.
56

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), (2.1)

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.
Зав?дання початкового калібрування зводиться до знаходження
величин і K. Для знаходження зазначених величин необхідно зняти
57

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 × Aдійсн × sin α +
@ (2.2)
;
AA = A + Kπ)× Aдійсн × sin(α +
(2.3)
;
AC = A + K × Aдійсн × sin α
@ (2.4)
.

Враховуючи, що:
DE1() = sin ( + F);
G
sin + = DE1 G ,

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 = cos ();
DE1 () + /ID () = 1.

Записавши суму квадратів різниць ?8 ?A і ? ?C отримаємо:
58

(?8 ?A) + (? ?C) = 4 × L × ? дійсн × MDE1 () + /ID ()N ,
звідки:

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.

2.3 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.

59

Рис. 2.9. LCD 5110

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.

60

Рис. 2.10. Схема підключення LCD дисплея

2.4 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.
61

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.

Рис. 2.11. Bluetooth модуль HC-09

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 2.3
Характеристики Bluetooth модуля HC-09
Параметри Характеристики
Чутливість: -84 дБ
Потужність передавача: +4 дБм
62

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 2.12 зображено схему підключення Bluetooth модуля до
мікроконтролера.

63

Рис. 2.12. 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.

2.5 Вибір система керування пристроєм
За систему керування пристроєм, оберемо схему подачі сигналів за
допомогою тактових кнопок (рис. 2.13), 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.

64

Рис. 2.13 – Схема керування пристроєм

2.6 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.
65

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 2.14 зображено схему підключення блока живлення.

Рис. 2.14 - Схема підключення блоку живлення

66

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

67

РОЗДІЛ 3
ПІДКЛЮЧЕННЯ КОМПОНЕНТІВ ПРИСТРОЮ ТА
ПРОГРАМНА РЕАЛІЗАЦІЯ

3.1 Підключення 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
68

- GND -> GND
- TXD -> Pin 2 (RX)
- RXD -> Pin 3 (TX)

3.2 Програмна реалізація пристрою
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();

69

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.
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);
70

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.
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);
71

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);
}
72

ВИСНОВКИ

У даній кваліфікаційній роботі магістра розглянуто принцип
визначення кутів нахилу об’єктів за допомогою цифрового
акселерометра.
Проведено аналіз технологій та доступних аналогів цифрових
вимірювачів кута нахилу.
Було проведено порівняння аналогів та визначено технічні вимоги
для розроблюваного пристрою.
Також розроблено модель цифрового пристрою відповідно до
вимог.
На основі проведеного аналізу технологій та доступних аналогів
розроблена структурна схема цифрового пристрою, наведено його опис
роботи та основні відомості про роботу окремих модульних частин
схеми.
В кваліфікаційній роботі магістра наведено такі аргументи, як
розвиток автоматизації та робототехніки, зокрема, сучасні системи
автоматизації, автономні роботи, безпілотні літальні апарати та мобільні
платформи потребують високоточного контролю положення.
Дистанційні датчики кута нахилу забезпечують точні дані без
механічного контакту, що підвищує надійність систем.
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;
73

 можливість редагування налаштувань;
 компактність та портативність приладу.
74

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Краснов В.М., Мельніков Д.Є. Електроніка, схемотехніка та
мікропроцесори: навч. посіб. – К.: Бізнес Медіа Консалтинг, 2019. –
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: 18.11.2019.
3. Безвесільна О. М. Статична похибка п'єзоелектричного
акселерометра [Текст] / О. М. Безвесільна, А. Г. Ткачук // Вісник
інженерної академії України, 2020.
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. – 2021. – №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, 2024. – 2nd ed. – 1603 p.
6. Sensor Signal Conditioning – An IC Designer's Perspective // Sensors
Magazine. – New York : IEEE, 2020. – 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», 2021. – 205 с.
75

9. Лазарєв Ю.Ф. Основи теорії чутливих елементів систем орієнтації
[Текст]: підруч./ Ю.Ф.Лазарєв, П.М.Бондар. – К.: НТУУ "КРІ",
2021. – 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, 2020
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, 2022. 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, 2024.
76

17. Бурштинський М.В., Хай М.В., Харчишин М.Б. Давачі: навчальний
посібник. Львів, 2024. 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. №9,2023 р.
19. . Ванько В.М., Поліщук С.Є., Дорожовець М.М. Вимірювальні
перетворювачі (сенсори): підручник. Львів, 2023. 580 с.
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.
77

Репозиторій ЧДТУ