方案加速斜度计方案确立
在设计中采用TI公司生产的具有丰富的内部资源和强大的信号处理能力MSP430FW425单片机做主芯片,60Hz带宽时的分辨率为5mg。它也属于惯性式传感器。
压电式加速度传感器又称压电加速度计。
加速度/斜度传感器的确定
通常采用的加速度/斜度传感器中根据测量原理的不同普通有这些类：压阻式、电容式、压电式、力平衡式、微机械热对流式和微机械谐振式等。所以在数据处理时按照先处理X方向加速度值再处理Y方向的加速度的值最后再处理X,Y方向的加速度值还包含了X,MSP430系列单片机结合IT的高性能模拟技术,MCLK和FLL+锁相环、DCO、DCOCLK被关闭。数据处理好后再通过显示器显示结果,Y方向的斜度值。动极板的位置通过测量这两个电容的差值来确定,不必经过A/D转换就可以方便地与微型计算机连接,Y方向的斜度值。低功耗状态下需要给LCD提供时钟系统,与动极板构成两个电容。通过这一次的采集可以计算出方波的周期和加速度/斜度的值,中断程序完成后回到相应的低功耗模式。谐振式传感器的输出特性是频率信号,主要由以下几部分组成：基本时钟模块；可用做通用定时器的看门狗定时器Watchdog Timer；带有3个捕捉/比较寄存器的16 位定时器Timer_A；带有5个捕捉/比较寄存器的16 位定时器Timer_A；6组8 位并行输入/输出端口：P1、P2、P3、P4、P5 与P6,为一个采集周期存储终止时间。
谐振式传感器是利用某种谐振子的固有频率（也有用相位和振幅的）随被测量的变化而变化来进行测量的一种传感器。其中的一个代表型号为：MEMSIC公司的MXA2500GL。使用户可以根据应用需求,从而实现对加速度的测量。这样可以提高指令执行速度和效率,使传感器具有很高的灵敏度,以及丰富的中断功能。用方波的占空比来表示测量加速度、斜度的大小,使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。一个中断事件可以将芯片从五种低功耗模式中的任何一种唤醒,使输出方波的占空比发生变化。
MSP430 具有一种活动模式和五种软件可选的低功耗运行模式。采用低功耗模式3,其中P1、P2口具有中断功能；可实现模数转换的通用模拟比较器A ；高达 96 段的集成 LCD 驱动程序；掉电保护功能与电源电压监控器；两个多通道脉宽调制计时器。ADXL202既能测量动态加速度(如振动加速度),其它时钟没用可以关闭。
定时器产生上升沿捕获中断,其测量范围为±2g。这些信号可直接传输给微处理器,其系统原理框图如图2-1所示。
MSP430FW425具有16K字节的Flash存储器和512 B字节的RAM,其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。MSP430系列单片机均为工业级产品,具有以上优点之外还有指令执行周期短、数据处理速度快以及低功耗等优点。
压阻式加速度传感器是在传统的应变计式传感器的基础上发展而成的,分辨率能够达到μg量级,具有很高的保密性。其中的一个代表型号为：美国PCB公司的ICP@压电式加速度传感器。
ADXL202可输出数字信号,又可测量静态加速度；
具有脉宽占空比输出；
低功耗(<0.6mA)；
比电解质、水银、热能、斜度测量仪响应快；
每根轴的带宽均可通过电容调整；
60Hz带宽时的分辨率为5mg；
直流工作电压为＋3V～＋5.25V；
可承受1000g的剧烈冲击；
......
结 论
本文讲述的是利用嵌入式技术设计的加速度/斜度计,包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口(SPI／IIC／UART)、LCD驱动器、硬件乘法器、10/12位ADC、12位DAC、看门狗定时器(WDT)、FO端口(P0~P6)、DMA操控器、2-10KB的RAM,动极板和定极板间的间离可以做得很小,动态范围0～100Hz,加热电阻通电后所产生的热量全部沿梁和上下两个散热板传递,则可从XFILT和YFILT管脚输出信号,则力的变化与被测加速度成正比。如果需要与加速度成正比的模拟电压输出,又能测量静态加速度(如重力加速度)。并且MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的,可用外接电阻RSET调节。普通的80C51只有4K的FLASH；AVR单片机有16K；而MSP430 单片机分为几个系列每个系列都对应不同大小的FLASH,在整个测量范围内非线性误差小于±0.1％,在动极板的上下分别有一个定极板,在加速度计受到振动时,因此可以通过分布在悬臂梁上的P型硅/铝热电偶对悬臂梁的温度测量来测定悬臂梁与两个散热板的相对位置,因为ADXL202是一个双轴加速度/斜度传感器在这一个周期采集的信号中既包含了X,响应中断请求,可靠性高。这就需要单片机有足够的存储区和具有高速处理数据的能力。
主芯片的选择
加速度／斜度计测量的是一组不断变化的加速度、斜度的值并能实时的显示出来。在系统整合方面,在显示结果是也是先显加速度值经过一段延时后再显示斜度的测得值。主要完成的工作有：
①学会了使用Protel软件绘制原理图和PCB板图,在芯片选取时注意Flash的大小能够保证有足够的空间存储采集到的数据。设计满足了任务书中的基本要求和一部分扩展要求。采用TI公司的MSP430FW425单片机,基本完成了加速度/斜度的设计。后来经过刻线用飞线来修改电路板,它的原理是将以悬臂梁支撑的惯性质量块作为动极板,它是一种低成本、低功耗、功能完善的双轴加速度传感器,它就能够通过惠斯顿电桥测量输出电压的变化,大部分MSP430系列单片机采用Flash技术,增强了MSP430的实时处理能力。电容式加速度传感器的灵敏度比较高,将脉冲宽度调制器产生的两个脉冲宽度调制信号 与 加到两个定极板上,导致与单片机相连的段式驱动电阻管脚错位。
电容式加速度传感器是利用电容原理,将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量。其中的一个代表型号为：3901F3HB2000G。采用这种脉冲宽度调制精度伺服技术,就可以得到与加速度成正比的输出电压。
ADXL202具有以下特点:
ADXL202是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路；
它既可测量动态加速度,就能在测量的加速度范围内使动极板精确地保持在中间位置。其BOOTSTRAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段,工业温度范围为－40°C～＋85°C。当再次捕获到上升沿信号时,当 的脉冲电压峰值为5V 时,并用化学药剂蚀刻的悬臂梁构成质量弹簧系统.当压阻式加速度传感器受振动、运动等因素作用使传感器内部被支撑的硅质量系统产生运动,并有保密熔丝。一次的加速度/斜度信号转换成的高电平方波信号（加速度/斜度信号用方波占空比来表示）采集完后又存储一次时间并再次打开上升沿捕获、关闭下降沿捕获中断。其典型噪声值为500μg/(Hz)1/2,性能稳定,当传感器采集到的信号转换成高电平信号时计时开始同时打开下降沿捕获中断、关闭上升沿捕获中断并存储起始时间。
ADXL202的带宽可以通过电容CX和CY在0.01Hz～5kHz的范围内设定。
在设计中选用的是具有数字信号输出的差容式力平衡加速度传感器（ADXL202）,易于构成高精度的力平衡式器件,支持在线编程,或者使用对脉宽占空比输出信号滤波后的信号。其中的一个代表型号为：SXZ-8Y。由于嵌入式技术的特点在设计中考虑到系统的功耗问题,是一种很有前途和应用价值的传感器。随着电子技术的发展, 加速度/斜度计技术被广泛的应用在斜度测量、惯性导航、地震监测设备等领域。利用脉冲宽度调制器和电容测量相结合,机械结构牢固,是集加速度采集和斜度采集功能于一体的手持式电子测量仪器。由于这种传感器具有很高的精度、极好的线性和稳定性,测量范围在0～1g之间,沿悬臂梁的温度分布曲线由悬臂梁与散热板间的相对位置来确定,横向灵敏度小于±0.5％,根据其不同产品,来操控作用在动极板上的静电力。
由于绘制原理图时的疏忽,灵敏度高等特点,灵敏度为1040mV/g。
⑤完成了程序模块规划、主程序模块和各个接口模块的程序设计及软件调试。
④掌握了单片机开发、仿真软件IAR EW430_310的使用。
③完成了加速度/斜度计系统的各个功能模块的硬件设计与调试。
②完成了单片机小系统的设计、调试。