基于MEMS加速度传感器的数字水平仪设计

　　0　引言

　　水平仪作为现代工业不可缺少的检测工具,在土木工程、航空航海、工业控制等领域有着广泛应用[1]。传统的气泡水平仪误差较大,对于小角度精确 测量更是无能为力。数字水平仪以其方便、快捷、精度高等特点在该领域受到越来越多的关注。设计响应速度更快、抗干扰能力更强、精度更高的数字水平仪就成为 该领域的发展方向。文中介绍了基于MEMS技术的小型高精度数字水平仪。

　　1　倾角测量原理

　　MXC62025G是低功耗、双轴加速度传感器芯片,可以在X轴和Y轴2个自由度上测量恒定或者变化的加速度。其内部加速度传感器部分采用热对 流技术,结构如图1所示,正方形硅片的中间有一个热源,四周等间距放置4个热电偶。当硅片水平放置时,由于四周关于热源的温度梯度是均匀的,所以4个热电 偶的温度相同,输出电压相同。反之,当硅片倾斜时,四周关于热源的温度梯度不均匀,因而输出电压不同.

　　倾角测量原理如图2所示。线段OA和OB分别在X轴和Y轴上,且与水平面的夹角分别为α和β.过O点向水平面作垂线OH,再过O点向平面中的直线AB作垂线,交点为C.由几何关系知,传感器所在的平面OAB与水平面的夹角就是∠OCH[3-4]。

　　即,只要得到2个轴向倾角值就能求出平面真实倾角。

　　2　仪器设计

　　2·1　硬件电路设计

　　MXC62025G采用I2C接口,量程±2 g,在25℃、3 V的条件下,其灵敏度为512计数点/g.其硬件连接如图3所示, 8脚上所加的直流电压VDD在2·7~3·6 V之间, 5脚VDD2上的电压标准值为1·8 V,但只要低于VDD上的电压值即可。由于I2C接口是开漏输出,必须接上拉电阻才可输出高电平。

　　主控器采用AT89C52单片机,由于此单片机没有I2C接口,故将其通用I/O接口P1·0和P1. 1模拟成I2C接口的SDA和SCL.显示部分采用LCD显示倾斜角度,同时用发光二极管指示倾斜方向,通讯接口为RS-232标准接口。系统硬件结构框 图如图4所示。

　　2·2　软件设计

　　程序设计包括I2C通信、数据处理、串口通信等内容。由于MXC62025G的I2C接口工作于快速模式(400K),所以为配合其传输速率, 编程时各语句之间应适时加入NOP语句以使总线频率小于400 kHz. SDA总线在SCL脉冲低电平期间准备数据,在SCL脉冲高电平期间传送数据,其程序流程图如图5所示。寻址时,向芯片写7位入口地址 (0010101),第8位决定数据传输的方向。传感器芯片的输出数据为8位,先MSB后LSB。通过以下方法合并为16位输出值:

　　注: buff[0]中是内部控制寄存器的值。

　　由于加速度传感器的输出值只是加载在传感器2个轴上的重力加速度分量对应的计数值,所以要输出倾角还需要进行数据处理。首先考虑正负输出,因为 MXC62025G无法输出负数值,故通过减去一个固定的偏移量达到正负数值输出的目的。偏移量取最大输出值与最小输出值之和的一半。下面考虑轴向加速度 分量与倾角间的关系。假设X方向的倾角为α,Y方向的倾角是β,则输出信号与倾角大小存在以下关系: