基于MEMS加速度計的數(shù)字傾角測量儀的設(shè)計

1、圖2 調(diào)理電路框圖1引言許多應(yīng)用領(lǐng)域中經(jīng)常需要測量某個平面是否處于水平位置,或測量該平面相對于水平面的夾角。目前的傾角測量工具主要是傳統(tǒng)的水泡式水平尺,無法準(zhǔn)確得到傾斜角度1。由于加速度計的輸出經(jīng)處理可得到一個與傾斜角成正比的直流電壓,因此可以利用加速度計測量物體相對于水平面的傾斜角。新興的MEMS 加速度計傳感器體積小、重量輕、功耗小、啟動快、成本低、可靠性高、易于實現(xiàn)數(shù)字化和智能化2,而新興的SoC 型單片機也因其高度集成化的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。介紹一種基于MEMS 加速度傳感器以及SoC 型單片機的傾角測量系統(tǒng),與傳統(tǒng)的水泡式測量儀相比具有測量精度高、測量范圍大、使用及攜帶方便等特點3。2

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計圖1為系統(tǒng)組成框圖,系統(tǒng)硬件由MEMS 加速度計Model 1221及其調(diào)理電路、C8051F040單片機、LCD1602型液晶顯示器組成。Model 1221輸出的加速度電壓信號經(jīng)調(diào)理電路放大、濾波等處理后進入C8051F040內(nèi)部集成的12位A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換,得到的加速度信號所對應(yīng)的傾斜角由C8051F040運算得出,最終傾斜角顯示在LCD1602上。2.1MEMS 加速度計Model 1221Model 1221是一款低功耗、低噪音、低成本的MEMS 加速度計,其內(nèi)部包含微機械電容傳感單元、溫度傳感器、傳感運放電路和差分輸出電路。Model 1221系列單軸加速度計有多

3、種量程可供選擇,根據(jù)設(shè)計需求選用量程為2g 的1221L-002。加速度計測量傾角的基本原理是:通過測量重力加速度測量平面分量在加速度計敏感軸上的分量,利用三角函數(shù)計算出傾角值。當(dāng)傳感器敏感軸與重力垂直時,傳感器對傾角的靈敏度最高,每傾斜1引起輸出加速度的變化約17.5mg ,而當(dāng)加速度傳感器敏感軸與重力平行時,每傾斜1所引起輸出加速度的變化約為0.15mg 4。為保證精度,該系統(tǒng)設(shè)計量程為45。2.2調(diào)理電路圖2為加速度計Model 1221的調(diào)理電路框圖。Model 1221輸出信號經(jīng)AD623放大、MAX291濾波后得到適合進入A/D 轉(zhuǎn)換器的信號。前置運放AD623實現(xiàn)加法、基于MEM

4、S 加速度計的數(shù)字傾角測量儀的設(shè)計段曉敏,李杰,劉文怡,沙承賢(中北大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系,電子測試技術(shù)國防重點實驗室,山西太原030051摘要:設(shè)計由MEMS 加速度計與SoC 型單片機C8051F040組合而成的一種新型數(shù)字傾角測量儀,通過對MEMS 加速度計的輸出信號進行調(diào)理和A/D 采集,并且在獲得數(shù)字信號后進行溫度補償,解算出傾角值并通過LCD1602顯示。該傾角測量儀具有體積小、重量輕、精度高的特性,可廣泛應(yīng)用于建筑、機械、道路、橋梁和地質(zhì)勘探等重力參考系下測量傾角的場合。關(guān)鍵詞:MEMS 加速度計;傾角測量儀;單片機;誤差補償中圖分類號:TP212.9文獻標(biāo)識碼:A文件編號:167

5、4-6236(200908-0071-02Design of digital dipmeter based on MEMS accelerometerDUAN Xiao -min ,LI Jie ,LIU Wen -yi ,SHA Cheng -xian(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology ,Department of Electronic Science and Technology ,North University of China ,Taiyuan 030051,China Abstract:A n

6、ew type digital dipmeter combined with the MEMS accelerometer and the SoC -type C8051F040MCU is de -signed.By conditioning and A/D acquisition for MEMS accelerometer output signal,it compensates the temperature after obtaining digital signal,calculates inclination value and uses LCD1602display.The d

7、ipmeter features small size,light weight,high precision,it can be widely used in building,machinery,roads,bridges and geological exploration and so on,such as gravity reference system to measure the inclination.Key words:MEMS (Micro Electro Mechanical System accelerometer;dipmeter;MCU;error compensa

8、tion收稿日期:2009-03-11稿件編號:200903038 作者簡介:段曉敏(1983-,男,山西五臺人,碩士研究生。研究方向:慣性感知與測控。圖1系統(tǒng)組成框圖第17卷第8期Vol.17No.82009年8月Aug.2009電子設(shè)計工程Electronic Design Engineering -71-減法、放大等功能5。濾波器采用的MAX291是MAXIM公司生產(chǎn)的八階巴特沃斯型開關(guān)電容式有源低通濾波器,它的3 dB截止頻率可以在0.125kHz之間選擇。開關(guān)電容濾波器需要1個時鐘驅(qū)動電路工作,該時鐘的頻率應(yīng)為3dB截止頻率的100倍,MAX291的濾波實現(xiàn)有外時鐘和內(nèi)時鐘兩種方式,

9、內(nèi)時鐘方式電路簡單,只需外接1只電容。其電容大小可確定:f OSC(kHz=105OSC(1式中,f OSC為MAX291的時鐘頻率,電容C OSC為MAX291提供內(nèi)時鐘。因此系統(tǒng)采用67nF電容得到5Hz的截止頻率。2.3SoC型單片機C8051F040C8051FXXX單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC,具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核。該系列單片機采用流水線處理(pipe line技術(shù),不再區(qū)分時鐘周期和系統(tǒng)周期,能在執(zhí)行指令期間預(yù)處理下一條指令,提高了指令執(zhí)行效率。而且大部分C8051F單片機具備控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè),包括看門狗、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、電壓比較器、

10、電壓基準(zhǔn)輸出、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等。C8051F系列單片機采用Flash ROM技術(shù),集成JTAG,支持在線編程,成為很多測控系統(tǒng)設(shè)計的首選。該系統(tǒng)選用C8051F系列中高性價比的C8051F040。該單片機是系統(tǒng)控制核心,可完成數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、角度解算、LCD顯示控制。2.4LCD顯示器LCD1602LCD1602顯示容量為162個字符,工作電壓為4.55.5V,在不開啟背光燈時工作電流為2mA。其優(yōu)點是顯示效果好、價格低、開發(fā)方便。3系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)上電后,首先初始化,ADC0采集MEMS加速度計輸出的加速度信號和溫度信號,采集完一次后根據(jù)加速度信號計算出具體的加速

11、度值并進行溫度補償,則得到補償后的加速度值,再計算出加速度值所對應(yīng)的傾角值,最后將傾角值輸出至LCD1602顯示。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。3.1C8051F040的A/D采集與實現(xiàn)C8051F040內(nèi)部集成有ADC0、ADC1兩個A/D轉(zhuǎn)換器,ADC0為12位轉(zhuǎn)換精度,ADC1為8位轉(zhuǎn)換精度。該系統(tǒng)采用ADC0,該轉(zhuǎn)換器有9個通道,可動態(tài)選擇模擬輸入量進入A/D轉(zhuǎn)換,最高轉(zhuǎn)換速度可達100kB/s。在轉(zhuǎn)換前,可編程增益放大器PGA0對模擬量放大或縮小,以滿足實際需要。ADC0還有一個可編程監(jiān)控模塊,當(dāng)ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)果符合監(jiān)控預(yù)設(shè)值,并且相應(yīng)中斷開啟時,將引發(fā)相應(yīng)中斷。ADC0有4種啟動方式:(

12、1將AD0BUZY位置“1”,啟動ADC0轉(zhuǎn)換;(2T3溢出,啟動ADC0轉(zhuǎn)換;(3CNVSTR0引腳輸入信號上升沿,啟動ADC0轉(zhuǎn)換;(4T2溢出,啟動ADC0轉(zhuǎn)換。在ADC0轉(zhuǎn)換期間,AD0BUZY位保持“1”,轉(zhuǎn)換完畢自動清零。ADC0BUZY下降沿使AD0INT置“1”,若中斷開啟,則引發(fā)相應(yīng)中斷。該系統(tǒng)采用方式(1,步驟如下:先將AD0INT清零;再將AD0BUZY置“1”,啟動ADC0轉(zhuǎn)換;然后查詢AD0INT是否為“1”,即查詢ADC0是否轉(zhuǎn)換完畢;最后處理ADC0轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。ADC0轉(zhuǎn)換只需16個時鐘周期。若ADC0時鐘與系統(tǒng)時鐘相當(dāng),則查詢實時性比中斷實時性高6。3.2傾角解算

13、與LCD1602控制傾角解算公式:=arcsin(A/g(2式中,為傾角,A為加速度計的加速度值,g為重力加速度。式(2中A是經(jīng)標(biāo)定后的加速度值,標(biāo)定數(shù)據(jù)存在C8051F040內(nèi)部Flash中。由于每個加速度計器件的基本參數(shù)各有差異,傳感器在不同溫度下的輸出也會有變化,再而安裝電路板也會造成一定誤差,因此要提高測量精度,就需要在使用前測試標(biāo)定的相關(guān)參數(shù),再根據(jù)具體溫度進行誤差補償。解算完的傾角值在LCD實時顯示,單片機控制LCD顯示,圖4為單片機控制LCD1602寫操作的時序圖。4結(jié)論利用MEMS加速度計和SoC單片機組合設(shè)計的傾角測量儀具有體積小、重量輕、功耗低、響應(yīng)速度快、使用方便等優(yōu)點。通過標(biāo)定和誤差補償加速度計,測量傾角精度可達0.03,該測量儀在機械、建筑、軍事等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。參考文獻:1馬洪連,鄭保重,王偉.基于MEMS技術(shù)傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.儀器儀表學(xué)報,2005,26(8:185-187. 2徐濤,羅武勝,呂海寶,等.地下定向鉆進姿態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計J.中國慣性技術(shù)學(xué)報,2004,12(2:5-8.3張偉,梁華為,楊新綱,等.基于MSP430單片機的便攜式