XYZ加速度(ガル)表示ユニット

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>

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>

<KXM52のブロックダイアグラム>

<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

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。

￭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

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();
	}
}
 
//**********************************************************************

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。

KXM52を、いろいろな方向に傾けてみました。

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