基于C8051F350单片机的三轴低频加速度的高精度测量

　　0 引言

　　低频振动一般是指振动频率在5 ～10 Hz 以下的振动，其振动加速度值不大，容易被人们忽略[1]。一些大型结构或柔体结构，如大跨度桥梁、大坝、可展开卫星天线等[2]，它们的一阶固有频率都比较低，有的甚至在 1 Hz 以下，均属于低频振动。虽然这些振动频率较低，且振动加速度值通常都比较小，但会影响结构的正常工作。为了准确测量这些微小加速度，实现对结构的振动和工作状况进行监测，需要高精度的加速度测量方法。

　　为了实现低频振动系统的加速度测量，详细阐述了低频振动的三轴加速度的高精度测量方法和整体实现方案，测量值以数字信号输出，便于后续的处理和显示。该测量系统测量范围为 -1. 5 g ～1. 5 g，测试结果表明误差在1 mg 范围内，能够满足低频振动时微小加速度的测量要求。

　　1 硬件设计

　　图 1 为系统结构框图。系统以 C8051F350 单片机为核心，主要包括 SCA610 加速度计、RS -232 接口、稳压电源和滤波电路等。

　　3 路 SCA610 加速度计分别将 X 轴、Y 轴和 Z 轴的加速度信号转换成相应的电压信号，经滤波电路降低噪声干扰后，分别由 C8051F350 单片机内置的24 位 A/D 转换器进行模数转换。转换后的数字信号再通过 RS -232 接口送入上位机，在上位机中实现滤波、抑制噪声的影响。为了降低噪声对测量的影响，系统在硬件设计上所采取的措施有:

　　( 1) 根据 SCA610 加速度计输出的特点，将其单端输出与电源信号形成差分输出，抑制电源噪声的影响。

　　( 2) 信号在输入 C8051F350 微处理器之前，均经过低通滤波器滤波。

　　( 3) 由于实现了信号的差分输入，可以提高测量系统抗干扰的能力。

　　系统硬件电路原理图如图2 和图3 所示。SCA610 系列加速度传感器是基于 3D - MEMS 技术的单轴加速度计，具有较高的稳定性和可靠性。系统采用的加速度计的型号为 SCA610 - C23H1A，它的测量范围为 ± 1. 5 g，灵敏度为 1. 333 V/g，单端输出。较高的灵敏度保证了在加速度较小的情况下，传感器具有较大的电压输出。当加速度为 0 时，SCA610 - C23H1A 加速度计的输出为 Vdd/2，根据这一特点，测量系统将电源信号的 1/2 与传感器的测量信号作差分输出，具体如图 2 所示，这样不仅可以消除电源噪声的影响，还提高了整个测量系统抗干扰的能力。此外，为了实现三轴测量，系统使用 3 个 SCA610 加速度计，安装在相互正交的三轴上。C8051F 系列单片机是混合信号微处理器，与标准的 8051单片机兼容，但相比于后者，它具有速度高、功耗低以及丰富的外围设备等特点[3]。