視覚障害者のための水準器の設計
この記事では、視覚障害者向けの水準器の完全な設計について説明します。 ADXL312加速度計を使用して、水平面と垂直面の重力を測定し、加速度計が正確に水平または垂直のときにブザーを鳴らします。
また、水準器がジョッキーホイールから離れた場所にある可能性がある自動車用途のトレーラーなどを水平にするための傾斜センサーとしても使用できます。また、自動車の安定システムやドローンのサブサーキットとしても使用できます。
はじめに
アマールラティフは、セレブリティマスターシェフに出演した後、英国の料理シーンで話題を呼んでいます。 。しかし、アマールは料理が上手であるだけでなく、彼自身の旅行会社を経営しており、意欲を高める講演者であり、南アメリカのほとんどをトレッキングしており、テレビのパーソナリティでもあります。この男の超大国に終わりはありませんか？
悲しいことに、あります。アマールは95％盲目です。テクノロジーが進歩し、世界がそれに追いつくのに苦労するにつれて、視覚障害者にとっての戦いはさらに困難になります。テクノロジーの進歩のほとんどは、画面の前でより多くの時間を費やす必要があります。視覚障害者にとって、過度のスクリーン時間は「もしあれば」のままです。
テクノロジーを使用して視覚障害のある人の生活を豊かにすることができれば、これは良いことです。登録された盲人の18％だけが完全に盲目（または「黒盲」）であるため、詳細を区別できない場合でも、大多数の人に少なくともある程度の視力が残ります。このようにして、視覚障害者のための水準器のアイデアが生まれました。
設計概要
傾斜センサーの設計は、最大±1.5 g を測定できる低電流加速度計であるADXL312に基づいています。 x、y、z軸で、SPIバスを介してデータが読み取られます。この部品は5mm×5mmのパッケージで提供され、スタンバイモードで0.1μAを消費します。 10ビットの解像度で測定されるため、ADXL312は±2.9m g の低い変化を検出できます。 各軸で。 ADXL312は、各軸の重力データを最大±511の2の補数値として保存します。これは、マイクロコントローラーが読み取り、1行の16文字LCDディスプレイに表示します。図1は、ADXL312の検出軸を示しています。
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図1.ADXL312の検出軸。 （出典：Analog Devices）
パーツの読み取り値は1.5 g です。 、したがって、1 g の重力 読み値を与える 2 / 3 これの。したがって、ADXL312が正確に水平である場合、z軸レジスタは 2 を読み取る必要があります。 / 3 フルスケール、x軸とy軸はゼロを読み取る必要があります。同様に、ADXL312が完全に垂直である場合、x軸の読み取り値は 2 である必要があります。 / 3 フルスケール、y軸とz軸はゼロを読み取る必要があります。 ADXL312がいずれかの軸から離れて傾斜し始めると、傾斜角度の正弦に従って、他の軸の読み取り値が増加し始める間、最大読み取り値は減少し始めます。
ADXL312の内部
ADXL312は、シリコンウェーハ上に構築されたポリシリコン表面微細加工構造で構成される微小電気機械システム（MEMS）です。ポリシリコンスプリングは、ウェーハの表面上に構造を吊り下げ、加速力に対する抵抗を提供します。
固定されたシリコンフィンガーは、移動するプルーフマス上でフィンガーとインターリーブして、特性を測定できる差動コンデンサを作成します。加速度はビームを偏向させ、差動コンデンサのバランスを崩し、振幅が加速度に比例するセンサー出力をもたらします。構造を図2に示します。
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図2.ADXL312の内部動作。 （出典：Analog Devices）
ADXL312は、I 2 のいずれかを使用してアドレス指定できます。 CまたはSPI、およびx、y、zデータは6つの内部8ビットレジスタに格納されます。また、32レベルFIFO、2つの多機能割り込み、オフセットレジスタ、機械的セルフテスト、自動スリープモードなど、他にも多くの機能があります。
スピリットレベルのデザイン
傾斜センサーの完全な回路図を図3に示します。
ADXL312の最大電源電圧は3.6Vですが、LCDディスプレイとブザーには5 Vが必要であるため、回路へのメイン入力は5 Vであり、これは3.3 V、150 mAリニアレギュレータ（ADP121）を使用して調整されます。 ADXL312、マイクロコントローラー、およびE2メモリに電力を供給します。
マイクロコントローラのポートB、ピン2（CALピン）は、10kΩの抵抗によってハイにプルアップされます。また、アースに接続できるジャンパーも付いています。起動時に、マイクロコントローラーはCALピンの状態を問い合わせ、このピンがジャンパーによってLowに引き下げられると、x、y、zレジスターを読み取り、これらの読み取り値をゼロから減算し、その結果を内部のオフセットレジスターにロードします。 ADXL312は、外部E2メモリである25AA040に保存します。 ADXL312は、オフセットレジスタからの読み取り値をプロセッサとの対話なしに将来の測定に自動的に追加するため、キャリブレーションされたオフセットが削除されます。
ジャンパーが取り外されると、CALピンがハイに引き上げられ、キャリブレーションルーチンがバイパスされます。オフセットの読み取り値はE2メモリから直接読み取られ、ADXL312のオフセットレジスタにロードされます。したがって、製造中に、水準器をCALピンを低く保持した状態で校正ジグに取り付け、デバイスを校正し、オフセット値をE2メモリに保存することができます。キャリブレーション後、ジャンパーが取り外され、その後の電源投入時に、E2メモリが問い合わせられ、キャリブレーションされたオフセット読み取り値がADXL312のオフセットレジスタにロードされます。
次に、ソフトウェアは各軸の8つの読み取りを実行し、結果が平均化されて、16文字のLCDディスプレイに表示されます。表示は100ミリ秒ごとに更新されます。
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図3.視覚障害者の水準器の完全な概略図。 （出典：Analog Devices）
図4は、各センサーがゼロ読み取り値に近いときに最大感度が達成されることを示しています。これは、正弦波の傾きが最も急な場所であるため、傾きの変化に対して重力の読み取り値が最大に変化します。
図4.角度によるg力の正弦波変化を示しています。 （出典：Analog Devices）
幸いなことに、水準器は、各センサーが完全に水平で、センサーの読み取り値がゼロに近い場合にのみ、傾斜を測定する必要があります。
このソフトウェアは、x軸とz軸の両方を一度にキャリブレーションできるように作成されています。部品を水平プラットフォームに配置し、傾斜センサーのx軸を調整するのは簡単です。ただし、この時点で、z軸には1 g の力がかかります。 、したがって、1 g でのフルスケールカウントと比較して、z読み取りを行う必要があります。 、およびオフセットレジスタにロードされたエラー。水平面と垂直面の両方でキャリブレーションを行うことで、傾斜センサーの各軸のより正確なキャリブレーションを実現できますが、これには2段階のキャリブレーションとソフトウェアの変更が必要です。
表1は、2の補数データの例を示しています。正の数は、従来の2進表記に従います。負の数は、最上位ビット（MSB）を符号ビットとして使用します。したがって、正の数のMSBはゼロに等しく、負の数のMSBは1に等しくなります。
表1.2の補数データの例
10進数 バイナリ +51101 1111 1111 + 100 0000 0001000 0000 0000-111 1111 1111-51110 0000 0001正の数の2の補数は、すべてのビットを反転してから1を加算することで見つけることができます。したがって、ゼロのカウントから–1のカウントに遷移すると、コードは00 00000000から1111111111に変わります。
>ソフトウェアはxレジスタとzレジスタを読み取り、いずれかのレジスタの値が0または1023（11 1111 1111）の場合、ポートB、ビット5をハイに設定します。これによりトランジスタQ1がオンになり、5Vブザーが鳴ります。傾斜センサーが完全に水平の場合、x軸の読み取り値は0または1023であり、完全に垂直の場合、z軸の読み取り値は0または1023です。両方のレジスタが0または1023に等しくない場合のみブザーが鳴り止みます。
精度とさらなる開発
1つの軸だけを考慮すると、最大読み取り値は1 g 重力がその軸に沿って作用しているときに達成され、この読み取り値は0 g に減少します。 図5に示すように、パーツが90°傾いているため。
図5.重力測定値を使用して傾斜角を計算します。 （出典：Analog Devices）
したがって、加えられる重力は方程式によって決定されます
ここで、Øは水平に対して測定された傾斜角度です。パーツが2.9m g の解像度まで測定できる場合 、それからそれは0.17°の角度に解決することができます。泡の正確な位置を特定するのが難しいため、標準の泡水準器の精度の数値を決定することは困難です。ただし、実験によると、1.2 mの水準器の端は、気泡が中心から外れているように見える前に、約3.2 mm（2つの未実装PCBの幅！）移動する可能性があります。これは約0.15°の角度に相当し、泡水準器を解像度をほとんど損なうことなく電子傾斜センサーに置き換えることができることを示しています。
より高い精度が必要な場合、ADXL313は1gスケールで11ビットの解像度を提供します。インターフェイスとレジスタセットはADXL312のものと非常に似ているため、ソフトウェアを大幅に変更する必要はありません。 ADXL355は、かなり低いノイズと高い解像度を提供します。
ADXL312のノイズ密度は340μ g /√Hz、および帯域幅が低いほど、ノイズは良くなります。パーツの帯域幅はプログラム可能です（3.125Hzから1600Hzまで、デフォルトは50 Hzに設定されています）。帯域幅を減らすとノイズは改善されますが、これによりディスプレイの更新レートも低下します。この設計では、帯域幅は6.25 Hzに設定されました。これは、850μ g のrmsノイズを意味します。 。さらに多くの読み取り値を取得して平均化することにより、ノイズを減らすこともできます。
さらなる改善は、度を示すLCD読み出しを持つことです。ただし、サインとコサインをソフトウェアに含める場合は、Cライブラリの数学関数を使用する必要があります。これらの関数は、ローエンドのマイクロコントローラーにはあまりにも多くのコードスペースを占有します。テイラー級数展開を使用すると、正弦関数に厳密に近似できます。これにより、占有するコードスペースが大幅に少なくなります。
結論
ADXL312は、ローエンドのマイクロコントローラーとのインターフェースが簡単な低コストの電子傾斜測定システムを提供します。前述の設計は、従来のバブル水準器の精度に匹敵することができることを証明していますが、電子インターフェースを備えています。これにより、トレーラーレベリングシステム、横滑り防止装置、ドローンなど、傾斜を測定する必要のある大規模な設計のサブシステムとして使用できます。
さらに重要なことに、視覚障害者の独立性を高めるために使用できます。このテキストは、ハードウェア、ソフトウェア、不揮発性メモリ、オーディオおよびビジュアル出力を含む完全なシステムレベルの設計を示しています。
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サイモンブランブル 1991年にロンドンのブルネル大学を卒業し、電気工学と電子工学の学位を取得し、アナログ電子工学と電力を専門としています。彼はアナログエレクトロニクスでキャリアを積み、リニアテクノロジー（現在はアナログデバイセズの一部）で働いてきました。彼には [email protected] で連絡できます。 。 >
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