基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的设计

　　1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位置，或测量该平面相对于水平面的夹角。 目前的倾角测量工具主要是传统的水泡式水平尺，无法准确得到倾斜角度[1]。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倾斜角。新兴的 MEMS 加速度计传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化[2]，而新兴的 SoC 型单片机也因其高度集成化的优点得到广泛应用。 介绍一种基于 MEMS 加速度传感器以及 SoC 型单片机的倾角测量系统，与传统的水泡式测量仪相比具有测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点[3]。

　　2系统硬件设计

　　图 1 为系统组成框图， 系统硬件由 MEMS 加速度计Model 1221 及其调理电路 、C8051F040 单片机 、LCD1602 型液晶显示器组成。 Model 1221 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 C8051F040 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C8051F040 运算得出，最终倾斜角显示在 LCD1602 上。

　　2.1 MEMS加速度计Model 1221

　　Model 1221 是一款低功耗 、低噪音 、低成本的 MEMS 加速度计，其内部包含微机械电容传感单元、温度传感器、传感运放电路和差分输出电路。 Model 1221 系列单轴加速度计有多 种 量 程 可 供 选 择 ， 根 据 设 计 需 求 选 用 量 程 为 ±2 g 的1221L-002。 加速度计测量倾角的基本原理是：通过测量重力加速度测量平面分量在加速度计敏感轴上的分量，利用三角函数计算出倾角值。 当传感器敏感轴与重力垂直时，传感器对倾角的灵敏度最高， 每倾斜 1°引起输出加速度的变化约17.5 mg，而当加速度传感器敏感轴与重力平行时 ，每倾斜 1°所引起输出加速度的变化约为 0.15 mg[4]。 为保证精度 ，该系统设计量程为±45°。

　　2.2调理电路

　　图 2 为加速度计 Model 1221 的调理电路框图.

　　Model 1221 输出信号经 AD623 放大 、MAX291 滤波后得到适合进入 A/D 转换器的信号。 前置运放 AD623 实现加法、减法、放大等功能[5]。 滤波器采用的 MAX291 是 MAXIM 公司生产的八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器， 它的 3dB 截止频率可以在 0.1～25 kHz 之间选择。 开关电容滤波器需要 1 个时钟驱动电路工作， 该时钟的频率应为 3 dB 截止频率的 100 倍， MAX291 的滤波实现有外时钟和内时钟两种方式，内时钟方式电路简单，只需外接 1 只电容。 其电容大小可确定：