XYZ加速度(ガル)表示ユニット

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====== XYZ加速度(ガル)表示ユニット ======

===== 概要 =====
日本及びその周辺では、人間が感じない小さな地震まで含めると1年に10万個以上、1日平均300個以上の地震が発生しているそうです。(気象庁で震源を決める事が出来た地震の数より)

地震の揺れの強さを表すのに用いる加速度の単位は、ガル(Gal)です。
1ガルは、毎秒1cmの割合で速度が増す事(加速度)を示しています。
地震の揺れは、地面に水平に縦、横(南北、東西方向)と上下方向の3方向(XYZ)で解析されます。

そこで今回は、この3方向の加速度を検出する安価なセンサーを入手しましたので、早速、ガルを表示するユニットを製作してみました。

<震度の階級:地震と加速度の目安>
|<450px>|
^ 階級   ^ 説明                               ^ 相当加速度      ^
| 震度0  | 人体には感じない。地震計に記録される程度。            | 0~0.8ガル    |
| 震度1  | 静止している人や、特に注意深い人のみが感じる。          | 0.8~2.5ガル  |
| 震度2  | 大勢の人が感じる程度、戸障子がわずかに動く。           | 2.5~8.0ガル  |
| 震度3  | 家屋が揺れ電灯等の吊下げものは相当揺れる。            | 8.0~25ガル   |
| 震度4  | 家屋の揺れは相当激しく花瓶などは倒れ多くの人は戸外に飛び出す。  | 25~80ガル    |
| 震度5  | 壁に亀裂が走り、煙突/石垣等が破損する程度。           | 80~250ガル   |
| 震度6  | 家屋の倒壊は30%以下で多くの人は立っていることができない。   | 250~400ガル  |
| 震度7  | 家屋の倒壊は30%以上で山崩れ/地割れ/断層を生ずる。      | 400ガル以上    |

===== 動作原理 =====
XYZの3方向の加速度を検出するセンサーには、カイオニクス社ローノイズ3軸加速度センサ“KXM52"を使用します。

<KXM52の仕様>
  * 測定レンジ(2Gal)
  * 感度(1000mV/Gal電源5V時)
  * オフセット(0Gal出力=2500mV電源5V時)
  * 電源電圧(2.7V~5.5V)

<KXM52の概観>
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111101.png}}

<KXM52のブロックダイアグラム>
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111111.png}}

<感度とオフセット>
KXM52は、使用する電源電圧により、感度(出力振幅)、オフセット(0Gal出力)が異なります。
  * 感度(V/g)￫Vdd÷5
  * オフセット(V)￫Vdd÷2

|<300px>|
^ 電源電圧  ^ 感度      ^ オフセット  ^
| 5.5V  | 1100mV  | 2.75V  |
| 5V    | 1000mV  | 2.5V   |
| 4V    | 800mV   | 2V     |
| 3.3V  | 660mV   | 1.65V  |
| 3V    | 600mV   | 1.5V   |
| 2.7V  | 540mV   | 1.35V  |

使用する電源電圧によって、この表の値を単純に適用するばよいのですが、少し工夫して自動的に求めるようにしました。

￭オフセット(V)の求め方
KXM52を、“0G"つまり傾斜の無い所に設置し、その時の電圧を取り込んでオフセット値とします。

※参考
地球の重力は垂直方向に1Gです。加速度センサを傾けるとこの重力に反応しますので90°傾けると1Gの力が生じます。傾きと重力の関係は次の図のようになります。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111314.png}}

￭感度(V/g)の求め方
KXM52には、セルフテスト(SelfTest)の端子が出ています。この端子をVddに接続すると現状値に1Gが加えられた値が出力されます。
例えば、電源電圧=5V、現状値=2.5Vであれば、セルフテスト端子をVddに接続すると、3.5Vになります。

   感度=セルフテスト時の値-現状値

￭加速度(Gal)の求め方
感度とオフセットと現状値より、次式で加速度を求めることが出来ます。

   加速度=(絶対値(現状値-オフセット値))÷感度

===== 回路図 =====
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111353.png}}

===== ソースコード =====
<code c acceleration.c>
//********************************************************************** 
/*
　　＜ＸＹＺ加速度（ガル）表示器）＞ 
*/
//********************************************************************** 

unsigned	long	measurement(unsigned short channel)
{
	static	unsigned	int		cnt;
	static	unsigned	long	ad;
	//
	ad = 0;
	for (cnt = 0; cnt < 10; cnt++) {
		ad += Adc_Read(channel);
	}
	return (ad / 10);
}

//********************************************************************** 

const char character1[] = {16,16,16,16,16,16,16,16};
const char character2[] = {24,24,24,24,24,24,24,24};
const char character3[] = {28,28,28,28,28,28,28,28};
const char character4[] = {30,30,30,30,30,30,30,30};
const char character5[] = {31,31,31,31,31,31,31,31};

void RegistCustomChar()
{
	char i;
	//
	LCD_Cmd(64);
	for (i = 0; i<=7; i++) {
		LCD_Chr_Cp(character1[i]);
	}
	for (i = 0; i<=7; i++) {
		LCD_Chr_Cp(character2[i]);
	}
	for (i = 0; i<=7; i++) {
		LCD_Chr_Cp(character3[i]);
	}
	for (i = 0; i<=7; i++) {
		LCD_Chr_Cp(character4[i]);
	}
	for (i = 0; i<=7; i++) {
		LCD_Chr_Cp(character5[i]);
	}
	LCD_Cmd(LCD_RETURN_HOME);
}

//********************************************************************** 

void	BarDisp(char index, unsigned int dat)
{
	short	i, j, k, cnt;
	//
	i = (dat * 10) / 128;
	j = i / 5;
	k = i - (j * 5);
	//
	if (index == 1)
		Lcd_Cmd(LCD_FIRST_ROW);
	else
		Lcd_Cmd(LCD_SECOND_ROW);
	//
	for (cnt = 1; cnt <= j; cnt++) {
		Lcd_Chr_Cp(4);
	}
	Lcd_Chr_Cp(k);
	for (cnt++; cnt <= 16; cnt++) {
		Lcd_Chr_Cp(' ');
	}
}

//********************************************************************** 

double	offset_x, offset_y, offset_z, offset_1g;

void	initKXM52()
{
	PORTB.F0 = 0;
	Delay_ms(100);
	//
	offset_z = (double)measurement(2) * 4.8828125;
	//
	offset_y = (double)measurement(3) * 4.8828125;
	//
	offset_x = (double)measurement(4) * 4.8828125;
	//
	PORTB.F0 = 1;
	Delay_ms(100);
	//
	offset_1g = measurement(4) * 4.8828125;
	offset_1g = offset_1g - offset_x;
	//
	PORTB.F0 = 0;
	Delay_ms(100);
}

//********************************************************************** 

void main()
{
	static	unsigned	short	cnt, buf[16];
	static	unsigned	long	tmp_x, tmp_y, tmp_z, tmp;
	static	double		ad;
	//
	OSCCON = 0b01110000;	// クロックを8Mhzに設定する。 
	TRISA  = 0b11111111;
	TRISB  = 0b11111110;
	//
	ANSEL  = 0b00011100;
	//
	Lcd_Config(&PORTB,3,1,2,7,6,5,4);
	RegistCustomChar();
	Lcd_Cmd(LCD_CURSOR_OFF);
	Lcd_Cmd(LCD_CLEAR);
	for (cnt = 0; cnt < 16; cnt++) {
		Lcd_Chr(1, cnt + 1, 0xFF);
		Delay_ms(50);
	}
	for (cnt = 0; cnt < 16; cnt++) {
		Lcd_Chr(2, cnt + 1, 0xFF);
		Delay_ms(50);
	}
	Delay_ms(1000);
	Lcd_Cmd(LCD_CLEAR);
	//
	initKXM52();
	//
	while (1) {
		// Z,Y,X
		tmp_z = measurement(2);
		tmp_y = measurement(3);
		tmp_x = measurement(4);
		// Z
		ad = (double)tmp_z * 4.8828125;
		ad = ad - offset_z;
		ad = (((double)labs(ad)) * 1000) / offset_1g;
		tmp = ad / 10;
		if ((ad - (tmp * 10)) >= 5)
			tmp++;
		WordToStr(tmp * 10, buf);
		Lcd_Out(1, 1, &buf[1]);
		// Y
		ad = (double)tmp_y * 4.8828125;
		ad = ad - offset_y;
		ad = (((double)labs(ad)) * 1000) / offset_1g;
		tmp = ad / 10;
		if ((ad - (tmp * 10)) >= 5)
			tmp++;
		WordToStr(tmp * 10, buf);
		Lcd_Out(1, 6, &buf[1]);
		// X
		ad = (double)tmp_x * 4.8828125;
		ad = ad - offset_x;
		ad = (((double)labs(ad)) * 1000) / offset_1g;
		tmp = ad / 10;
		if ((ad - (tmp * 10)) >= 5)
			tmp++;
		WordToStr(tmp * 10, buf);
		Lcd_Out(1, 11, &buf[1]);
		//
		switch (PORTA & 0x03) {
		case 0:
			Lcd_Chr(1, 16, 'X');
			BarDisp(2, tmp_x);
			break;
		case 1:
			Lcd_Chr(1, 16, 'Y');
			BarDisp(2, tmp_y);
			break;
		case 2:
			Lcd_Chr(1, 16, 'Z');
			BarDisp(2, tmp_z);
			break;
		case 3:
			Lcd_Chr(1, 16, ' ');
			BarDisp(2, 0);
			break;
		}
		//
		if (PORTA.F5 == 0)
			initKXM52();
	}
}

//**********************************************************************
</code>

===== 動作確認 =====
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111453.png?500}}
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111503.png?500}}

KXM52を、平坦な所に設置し、SW3を押下し感度とオフセットを求めます。
LCDの1行目は、左側から、“Z方向"、“Y方向"、“X方向"、バー表示のタイトル(“X"、“Y"、“Z"、“")
表示単位は、mGalです。
LCDの2行目は、各方向(“X"、“Y"、“Z")の電圧のバー表示(0~5V)
この画像では、バー表示がほぼ中央なので、2.5Vを示すことなります。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111525.png?500}}

KXM52を、いろいろな方向に傾けてみました。
{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111537.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111541.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111545.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111548.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111552.png}}{{:imgpaste:202004:htmikan-20200430-111555.png}}

如何ですか?
本ユニットを応用すると、地震の震度表示や記録等に使えそうですね ^_^

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