新型智能加速度傳感器的設(shè)計(jì)

1 引言

對(duì)于傳統(tǒng)的加速度傳感器而言，由于只具有感知環(huán)境，輸出模擬信號(hào)的功能，應(yīng)用范圍受到了很大限制，譬如，在車輛振動(dòng)測試行車試驗(yàn)中，就需要配置電腦、數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備。不但設(shè)備昂貴，而且由于車輛需要在行駛過程中測試，所以就必須加長信號(hào)傳輸線，既帶來了測量的不便，也導(dǎo)致由于外界環(huán)境的干擾測試誤差的加大?，F(xiàn)有的測振儀由于存在著大多價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，測量精度較低的缺陷，很大程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種智能壓阻式加速度傳感器，有效地克服了對(duì)于傳統(tǒng)加速度傳感器的輸出特性容易受噪聲、溫度、電源紋波、濕度等多種因素的干擾，避免了應(yīng)用場合的局限性，實(shí)現(xiàn)了加速度的精確測量。

2 硬件組成

根據(jù)智能加速度傳感器的使用要求，在硬件電路上主要考慮以下幾方面的問題 ：盡量采用集成化程度高的芯片，以減小主機(jī)體積，滿足便攜使用要求;采用低功耗的元器件，滿足儀器長時(shí)間工作要求;選用寬工作溫度范圍的元器件，滿足儀器在戶外工作條件。根據(jù)以上原則構(gòu)建了智能傳感器的硬件電路，其組成如圖1所示。智能加速度傳感器主要由敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、典型的單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤和電源等組成。

智能加速度傳感器的工作原理是 ：敏感元件將測點(diǎn)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路改善信號(hào)的信噪比，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，最后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。

2.1 敏感元件

系統(tǒng)采用在目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)控制、汽車及其它車輛、振動(dòng)及地震測試，科學(xué)測量等領(lǐng)域的硅微加速度傳感元件，其結(jié)構(gòu)及等效橋式電路如圖2所示。

當(dāng)傳感元件以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度成正比a的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個(gè)電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對(duì)加速度的測量[1]。

2.2 P89LPC932單片機(jī)系統(tǒng)

作為智能傳感器的核心，單片機(jī)的選用主要是考慮到智能傳感器的測量速度、精度、分辨率和其本身的數(shù)據(jù)處理能力，并且還要考慮到其與計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。文中選擇具有高集成度、低功耗、低成本等特點(diǎn)的P89LPC932單片機(jī)作為其作智能傳感器的微控制器。它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī)，并且具有增強(qiáng)型UART，具有幀錯(cuò)誤檢測、自動(dòng)地址檢測和通用的中斷功能，I2C和SPI通訊端口。并且P89LPC932還集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，可大大減少元件的數(shù)目并降低了系統(tǒng)的成本。同時(shí)，考慮到智能加速度傳感器在測試過程中需要記錄大量數(shù)據(jù)，單片機(jī)系統(tǒng)專門配置了全集成化并且不需設(shè)計(jì)刷新控制接口的8kB動(dòng)態(tài)RAM2186，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。