При необходимости определять угол наклона, относительно вектора земной силы тяготения, можно использовать трехосевые акселерометры типа MEMS от компании Analog Devices.
Микросхемы ADXL335 имеют три аналоговых выхода, которые соответствуют осям X, Y и Z ортогональной системы координат. Поскольку ось Z перпендикулярна основанию, или базе, поверхности корпуса ИС MEMS, акселерометр можно использовать для определения: является ли печатная плата (PCB) параллельной базе устройства. Схема на рис.1 позволяет обнаружить превышает ли наклон заданный предел. Цифровой выход, в этом примере, управляет непосредственно светодиодом, но сигнал можно, также, подать на микроконтроллер или другое устройство.
Когда ИС акселерометра ориентирована горизонтально относительно Земной поверхности, светодиод включен. Когда Z-ось прибора отклоняется на заданное значение, α, угла, , от вертикального направления, светодиод гаснет. Отклонение напряжения на выходе Z-оси, ZOUT, акселерометра, относительно половинного значения напряжения источника питания, VS/2, составляет VGZ=VGcosα, где VS - напряжение источника питания, VGZ - напряжение на выводе ZOUT, и VG – полномасштабное Земное напряжение.
При величине напряжения питания 3 В, полномасштабное Земное напряжение составляет 300 или –300 мВ, в зависимости от того, ориентирован датчик вверх или вниз. Операционный усилитель IC2 сравнивает напряжение с вывода ZOUT с образцовым напряжением, VREF. Если положительное напряжение на выводе ZOUT меньше или равно образцовому напряжению, на выходе IC2A устанавливается высокий логический уровень, и выход IC2B остается в состоянии высокого логического уровня. Таким образом, на выходе элемента Исключающее ИЛИ IC3 устанавливается низкий логический уровень, и светодиод гаснет. Пороговый угол наклона, αT, при котором происходит это действие, можно вычислить из уравнения cosαT=(VREF/VG).
Резисторы RS и RR устанавливают значение образцового напряжения 136.36 мВ. Пороговый угол отклонения составляет 62.96°. Таким же образом, когда отрицательное напряжение на выводе ZOUT становится по величине меньше, чем отрицательное образцовое напряжение, это указывает на то, что угол наклона стал 62.96° или больше, на выходе IC2B устанавливается высокий логический уровень, и светодиод также гаснет.
Теоретически, можно выбрать любые другие пороговые углы в интервале от 0° до 90°. Однако на практике, при емкости фильтрующего конденсатора 10 нФ пороги ограничены значениями 21.23° и 86.10°. Вероятность кратковременного ложного срабатывания схемы составляет 8×10–5. Из-за свойств функции cos(), чувствительность к отклонению повышается при увеличении угла отклонения. Для выбора другого значения угла отклонения в пределах указанного интервала, необходимо вычислить образцовое напряжение из уравнения cosαT=(VREF/VG) и затем изменить сопротивление резисторов RR в нужную сторону.
Сила тяжести вызывает изменение напряжения на выходе ZOUT микросхемы IC1. Схема обнаруживает падение по уменьшению создаваемого силой тяжести напряжения при "свободном падении" — движении тела без какого либо ускорения, кроме ускорения обусловленного силой тяжести. Если схема прикреплена к такому телу, и при этом ось Z микросхемы IC1 направлена приблизительно вертикально, свободное падение проявляет себя как почти полное исчезновение сдвига напряжения +300 или –300 мВ на выводе ZOUT. При этом напряжение остается близким к половине напряжения питания, и на выходе ZOUT присутствует 1.5 В. Порог обнаружения свободного падения, в данном случае, соответствует уменьшению силы тяжести до значения 0.4545 g.
Вероятность того, что величина пикового значения шума достигнет этого порогового значения для "тяжелых" тел практически нулевая. Вероятность того, что величина пикового значения шума достигнет 0.0679 g также довольно низка, и значительно уменьшается при увеличении размера выборки.
Очевидное уменьшение силы тяжести при свободном падении вызывает переход от низкого уровня к высокому уровню как на выходе IC2A так и на выходе IC2B, в зависимости от того параллельна или антипараллельна ось Z к вертикальному направлению. Как выход IC2A так и выход IC2B остаются в состоянии высокого логического уровня. Таким образом, при обеих ориентациях, на выходе элемента Исключающее ИЛИ присутствует низкий логический уровень, и светодиод погашен.
Чувствительность IC1, по существу, является рациометрической. Резистивный делитель напряжения RS/RR обеспечивает положительное и отрицательное образцовое напряжение, который также по своей природе рациометрические. Таким образом, работа детектора, виртуально, не чувствительна к изменениям напряжения питания. Заметим, что элемент Исключающее ИЛИ имеет на своих входах триггеры Шмитта, и поэтому его логический выход полностью удовлетворяет промышленным требованиям, включая время задержки распространения сигнала, не превышающее 10 нс, не зависимо от скорости нарастания сигнала при переходе через пороговое значение.
Если необходима комплементарная индикация вкл/выкл, можно преобразовать схему, изменив включение светодиода (штриховая линия на рис.1).
Купить ADXL335 на РадиоЛоцман.Цены
