一、引言
    微機(jī)械慣性器件是微機(jī)電系統(tǒng)重要的研究?jī)?nèi)容,微慣性器件包括微陀螺和微加速度傳感器。采用微機(jī)電技術(shù)制造的微加速度傳感器在壽命、可靠性、成本、體積和重量等方面都要大大優(yōu)于常規(guī)的加速度傳感器,使得其無(wú)論在民用領(lǐng)域,還是在軍用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文就是采用美國(guó)ADI公司出品的低功耗，功能完善的雙軸加速度傳感器。ADXL202E作為斜度測(cè)量的傳感器，給出了由ADXL202E與單片機(jī)AT89C52組成的斜度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。 

 
 
 
 
 
 
 
 
　　二、ADXL202E簡(jiǎn)介
　　1、ADXL202E特點(diǎn)
　　ADXL202E是一種低成本、低功耗、功能完善的、集雙軸加速度傳感器于一體的單塊集成電路。它既可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度, 又可測(cè)量靜態(tài)加速度，其測(cè)量范圍為±2g。它既具有模擬信號(hào)輸出，又有脈寬占空比輸出。ADXL202E最大可承受1000g的劇烈沖擊。圖1為ADXL202E的引腳排列圖和引腳功能[1]。      
　　2、測(cè)量原理
    ADXL202E是基于單塊集成電路的完善的雙軸加速度測(cè)量系統(tǒng)。它是一個(gè)以多晶硅為表面的微電機(jī)傳感器和信號(hào)控制環(huán)路來(lái)執(zhí)行操作的開環(huán)加速測(cè)量結(jié)構(gòu)。對(duì)每根軸而言, 輸出環(huán)路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈寬占空比的數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)直接與微處理器接口。ADXL202E可測(cè)量正負(fù)加速度，其最大測(cè)量范圍為±2g。ADXL202E也可測(cè)量靜態(tài)加速度，可用作斜度測(cè)量。傳感器采用在硅片上經(jīng)表面微加工的多晶硅結(jié)構(gòu)，用多晶硅的彈性元件支撐它并提供平衡加速度所需的阻力。結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)是通過(guò)由獨(dú)立的固定極板和附在移動(dòng)物體上的中央極板組成的可變電容來(lái)測(cè)量的。固定極板通過(guò)方波的每p個(gè)相位控制。加速度計(jì)受到加速度力后改變了可變電容的平衡，使輸出方波的振幅與加速度成正比。而相位解調(diào)技術(shù)用來(lái)提取信息判斷加速方向。解調(diào)器的輸出通過(guò)32kW的固定電阻輸出到脈寬占空比解調(diào)器。這時(shí)，允許用戶改變?yōu)V波電容的大小來(lái)設(shè)置輸出信號(hào)的帶寬。這種濾波提高了測(cè)量的精度，并有效地防止頻率混疊。經(jīng)過(guò)低通濾波后，模擬信號(hào)由DCM轉(zhuǎn)換為脈寬占空比信號(hào)。通過(guò)一個(gè)電阻RSET將T2設(shè)定在0.5ms～10ms范圍內(nèi)。在0g加速度時(shí)使輸出占空比為 50%。加速度可由一計(jì)數(shù)/計(jì)時(shí)器或低功耗的微控制器通過(guò)測(cè)量T1，T2來(lái)測(cè)得。
   模擬輸出信號(hào)可通過(guò)以下兩種方法獲得：一種從XFILT和YFILT 管腳得到；一種是通過(guò)RC濾波器對(duì)脈沖信號(hào)濾波后得到的dc 值推算。
 
 
 

 
 
 
 
 
　　三、斜度測(cè)量電路設(shè)計(jì)
　　1、濾波器設(shè)計(jì)
　　ADXL202E可以測(cè)量靜態(tài)加速度,也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，其最大測(cè)量帶寬為5000Hz。帶寬(W)是由低通濾波器的參數(shù)確定的。RFILT（濾波器阻值）可在額定值32kW的±25%范圍內(nèi)變動(dòng)，相應(yīng)地帶寬也隨之變化。在本設(shè)計(jì)中RFILT為32kW。因此，加速度信號(hào)的帶寬則由XFILT和YFILT 引腳外接電容設(shè)定。電容必須安裝在緊靠引腳處，,用以混疊和抑制噪聲。3dB帶寬計(jì)算公式如下[1]：
　　F（-3dB）= 1/2P[32kW×C(X, Y)]
     即：F（-3dB）= 5mF/ C(X, Y)                      （1）
　　可見電容選取越小，信號(hào)帶寬越寬，分辨率越高。C(X，Y)為濾波器的電容值，主要確定帶寬C(X，Y)。另外，在任何情況下，C(X，Y)的最小電容值為1000pF 。在本設(shè)計(jì)中選定C(X，Y)為100nF，即加速度模擬信號(hào)帶寬為50Hz。
ADXL202E的噪聲特點(diǎn)是在所有頻率下都是同樣大的白色高斯噪聲，以mg/  為單位，即噪聲與加速度信號(hào)帶寬平方根成正比。
　　ADXL202E的典型噪聲值可用以下公式[1]計(jì)算:
　　Noise(rms)=(200mg/  )×           （2） 
    由于本設(shè)計(jì)中加速度信號(hào)帶寬為50Hz ，所以噪聲均方值為1.79mg。
　　故ADXL202E的XFILT和YFILT引腳接0.1mF電容使得模擬輸出帶寬為50Hz、輸出附帶噪聲為1.79mg。同時(shí)，ADXL202E的XFILT和YFILT引腳產(chǎn)生與斜度相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。
　　ADXL202E感應(yīng)的重力分量的變化在+1g和-1g之間。，在0g時(shí)有：
　　OFFSET（偏置帶）=2.5V±0.4V              （5）
　　Sensitivity（靈敏度）=167 mV/g ±17 %          （6）
　　2、DCM 的周期設(shè)定：
　　利用RSET設(shè)定DCM 的周期：有兩個(gè)通道的DCM的周期是通過(guò)電阻RSET來(lái)設(shè)定。計(jì)算公式為[1]:T2=RSET(W)/125MW。器件可在周期0.5ms～10ms范圍內(nèi)運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中選定RSET為330kW，即DCM周期為2.64ms。 RSET 應(yīng)安裝在靠近T2引腳處，以使分布電容最小。
　　3、模擬信號(hào)處理電路
　　由于ADXL202E內(nèi)部32kW電阻的影響，使得XFILT和YFILT的模擬輸出驅(qū)動(dòng)力不足，所以需要在XFILT和YFILT之后分別加上一個(gè)通過(guò)LM324運(yùn)算放大器構(gòu)成的跟隨器，用來(lái)增加驅(qū)動(dòng)。再通過(guò)上面選定的元件參數(shù)可以得到ADXL202E的模擬信號(hào)圖，如圖2所示。
　　4、參數(shù)標(biāo)定
　　在斜度測(cè)量時(shí)，重力系統(tǒng)是最穩(wěn)定、最精確、應(yīng)用最廣泛的參照系。使裝置的方向與水平面平行便可得到0g時(shí)的校準(zhǔn)值。
　　由于器件參數(shù)的差異, 芯片的基本參數(shù)、同一器件兩個(gè)不同軸向的參數(shù)也有差異。因此,當(dāng)要求測(cè)量精度較高時(shí)，仍使用參數(shù)典型值就會(huì)引起誤差。
　　要提高測(cè)量的精度,就需要在測(cè)量前對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行認(rèn)真校準(zhǔn)。使用重力矢量做為參考的話，則要將測(cè)量范圍設(shè)定在1g和-1g之間。當(dāng)X(Y)軸指向1g時(shí)，傳感器的輸出為最大值，記作A；當(dāng)X(Y)軸指向-1g時(shí)，傳感器的輸出為最小值，記作B。則計(jì)算靈敏度Sensitivity公式為：
    Sensitivity                        （7）

　　四、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩個(gè)部分。下位機(jī)采用常用的AT89C52作為處理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用具有10位精度的TLC1543[3]作為A/D轉(zhuǎn)換器件，采用X5045[2]作為看門狗芯片，穩(wěn)壓源采用LM336。上位機(jī)采用Visual Basic 6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括參數(shù)標(biāo)定，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。
　　1、A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
　　ADXL202E感應(yīng)的重力分量的變化在＋1g～-1g之間，而傳感器ADXL202E的供電電壓為+5V，所以輸出模擬量的線性變化在+2.1～+2.9V之間。為了不損失A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC1543的采樣精度，在TLC1543的REF+端接+3V，REF-端接+2V。為了得到穩(wěn)壓電源，需要采用LM336芯片，從而得到穩(wěn)定電壓-5V，再通過(guò)運(yùn)算放大器LM324組成負(fù)反饋放大電路，最終得到參考源所需要的+3V和+2V。其電路如圖4所示。
　　2、看門狗電路設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)采用串行X5045芯片作為看門狗芯片。該芯片上電時(shí),當(dāng)電源電壓超過(guò)4.5V，經(jīng)過(guò)200mS的穩(wěn)定時(shí)間后RESET由高電平變?yōu)榈碗娖�。掉電時(shí)，電源電壓低于4.5V時(shí)，RESET信號(hào)立刻變?yōu)楦唠娖讲⒁恢北３值诫娫椿謴?fù)到穩(wěn)定為止。另外，EEPROM芯片內(nèi)部還具有大小為4096位EEPROM，可以作為數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)存儲(chǔ)空間。

 
 
 
 
 
 
　　五、上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)
　　上位機(jī)采用Visual Basic6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要完成監(jiān)測(cè)界面的設(shè)計(jì)，對(duì)串口數(shù)據(jù)的正確接收，包括對(duì)ADXL202E參數(shù)標(biāo)定，監(jiān)測(cè)曲線顯示等必要的功能。
　　圖3為設(shè)計(jì)后的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，從圖3中1處可以觀測(cè)到俯仰角和旋轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線；從圖3中3處可以觀測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的斜度隨時(shí)間在±180°之間變化；從圖3中2處可以觀測(cè)到單位為mg的加速度變化，通過(guò)這個(gè)監(jiān)測(cè)界面還可以實(shí)時(shí)的觀測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)由于振動(dòng)等原因引起的輸出信號(hào)振蕩。從圖3中4處為監(jiān)測(cè)平臺(tái)的控制面板，通過(guò)控制面板可以對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，可以觀測(cè)傳感器實(shí)時(shí)輸出的數(shù)據(jù)。
　　對(duì)于測(cè)得的靜態(tài)加速度，需要將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的工程量，在這里主要分為兩種情況：
　�。�1）雙軸加速度傳感器的X軸和Y軸測(cè)得的加速度值A(chǔ)x和Ay可以通過(guò)如下公式轉(zhuǎn)換為傾斜度：
　　俯仰角                     （8）
　　旋轉(zhuǎn)角                       （9）
　�。�2）因雙軸加速度傳感器的X軸和Y軸方向互為垂直，所以也可利用來(lái)測(cè)量滿周為360°的斜度。當(dāng)其中一個(gè)傳感器的輸出值為最大時(shí)，另一個(gè)傳感器的輸出值為最小。
　　六、結(jié)束語(yǔ)
　　應(yīng)用上述的設(shè)計(jì)方法及其要點(diǎn)，通過(guò)反復(fù)調(diào)試實(shí)現(xiàn)了對(duì)斜度（靜態(tài)加速度）的測(cè)量，達(dá)到了預(yù)期目的。實(shí)踐證明ADXL202E非常適合于頻率變化較為緩慢、加速度不太大的測(cè)量。在充分考慮各種因素的基礎(chǔ)上，合理設(shè)置有關(guān)參數(shù),就可以得到很好的精度。

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