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基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的研究

基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的研究

第17卷

第8期

电子设计工程

20019年8月

V01.17

No.8

ElectronicDesignEngineering

Aug.2009

基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的设计

段晓敏。李杰。刘文怡,沙承贤

(中北大学电子科学与技术系,电子测试技术国防重点实验室,山西太原03005I)

摘要:设计由MEMS加速度计与soC型单片机C805IF040组合而成的一种新型数字倾角测量仪,通过对MEMS加速度计的输出信号进行调理和A/D采集。并且在获得数字信号后进行温度补偿.解算出倾角值并通过LCDl602显示。该倾角测量仪具有体积小、重量轻、精度高的特性。可广泛应用于建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等重力参考

系下测量倾角的场合。

关键词:MEMS加速度计;倾角测量仪;单片机;误差补偿

中图分类号:TP212.9

文献标识码:A

文件编号:1674-6236(2009)08埘7l也

Designoflli垂taldipmeter

based

on

MEMSaccelerometer

DUANXiao—rain.LI

Jie,LIUWen.yi,SHACheng一:dan

(N越ionalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,DepartmentofElectronicScienceandTechnology,

North

Univers盼ofChina,Ta/yuaa030051,China)

Abstract:Anew

type

digi翻dipmetercombined

withtheMEMSaccelerometerandtheSoC typeC8051F040MCUisde

signed.ByconditioningandAft)acquisitionforMEMSaccelerometeroutput

8ignal,itcompensatesthetemperatureafter

obtainingdigitalsignal,calculates

inclinationvalueand

uses

LCDl602display.Thedipmeter

features

smaU

size,lightweight,high

precision。it

c肿be

widelyusedin

building,machinery,roads,bridgesandgeologicalexplorationand

80

on,such

P.A

gravityreferencesystem

t0

m咄ul'e

theinclination.

Key

words:MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)accelerometer,dipmeter,MCU;elrorcompensation

引言

许多应用领域中经常需要测量某个平面是否处于水平

图l系统组成框图

位置。或测量该平面相对于水平面的夹角。目前的倾角测量2.1

MEMS加速度计Model

1221

工具主要是传统的水泡式水平尺.无法准确得到倾斜角度llI。M0del

1221是一款低功耗、低噪音、低成本的MEMS加

由于加速度计的输出经处理可得到一个与倾斜角成正比的速度计.其内部包含微机械电容传感单元、温度传感器、传感直流电压,因此可以利用加速度计测量物体相对于水平面的运放电路和差分输出电路。Model1221系列单轴加速度计有倾斜角。新兴的MEMS加速度计传感器体积小、重量轻、功耗多种量程可供选择,根据设计需求选用量程为±2g的小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化田,1221L-002。加速度计测量倾角的基本原理是:通过测量重力而新兴的SoC型单片机也因其高度集成化的优点得到广泛加速度测量平面分量在加速度计敏感轴上的分量,利用三角应用。介绍一种基于MEMS加速度传感器以及SoC型单片机函数计算出倾角值。当传感器敏感轴与重力垂直时,传感器的倾角测量系统,与传统的水泡式测量仪相比具有测量精度对倾角的灵敏度最高。每倾斜lo引起输出加速度的变化约

高、测量范围大、使用及携带方便等特点脚。

17.5

mg,而当加速度传感器敏感轴与重力平行时。每倾斜l

2系统硬件设计

所引起输出加速度的变化约为0.15叫卵。为保证精度,该系统设计量程为“50。

图l为系统组成框图,系统硬件由MEMS加速度计

2.2调理电路

Model

1221及其调理电路、C805lF040单片机、LcDl602型

图2为加速度计Model1221的调理电路框图。

掖晶显示器组成。Model1221输出的加速度电压信号经调理电路放大、滤波等处理后进入C805IF040内部集成的12位A/D转换器进行转换。得到的加速度信号所对应的倾斜角由图2调理电路框图

C805lF040运算得出,最终倾斜角显示在LCDl602上。Model1221输出信号经AD623放大、MAX291滤波后得

收稿日期:2009-03—1l

稿件编号:200903038

到适合进入MD转换器的信号。前置运放AD623实现加法、

作者简介:段晓敏(1983一)t男 山西五台人,硕士研究生。研究方向:惯性感知与测控。

一71—

万方数据

第1页

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