專利名稱：一種基于mems加速度計的便攜式傾角傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種傾角傳感器，涉及種基于MEMS加速度計的便攜式傾角傳感器。
背景技術：
目前，目前公知的測量設備對測量空間和測量環(huán)境要求較高、電力供應不足的場 合不能工作，尤其是在民用建筑、裝修等領域中的解決手段不足以滿足日益增長的便攜式、智能化、及高精度、小體積重量輕、電池供電，操作方便的要求。這都大大限制了傾角傳感器產品的推廣。
發(fā)明內容本實用新型目的在于克服現(xiàn)有技術不足而提供一種基于MEMS加速度計的便攜式傾角傳感器，為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了以下技術方案一種基于MEMS加速度計的便攜式傾角傳感器，包括傳感器敏感元件模塊(I)、電源供電模塊(2)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)，其特征在于電源供電模塊(2)與傳感器敏感元件模塊(I)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)連接，微處理器模塊(3)與傳感器敏感元件模塊(I)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)連接。敏感元件是對角度變化敏感的MEMS加速度傳感器，其輸出的傾斜信號即加速度值在特定范圍內與角度成線性變化，因其輸出的信號為電壓信號或SPI數(shù)字信號，因此經過儀表放大器的適度放大后，變?yōu)閷τ脩粲杏玫碾妷盒盘?。在信號采集和放大以后，通過A/D轉換變?yōu)閿?shù)字信號并將數(shù)字信號傳送入MSP430單片機中進行濾波、限幅、角度化等處理，使之變?yōu)閷木_的角度實時信號，并通過液晶模塊進行顯示以實現(xiàn)人機接口。另外配置RS-232信號傳輸模塊，傳感器可以通過該模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)與上位機的通訊。為滿足儀器的便攜式要求，在電源處理及電路元器件選擇上，為保證電池的互換性采取四節(jié)鎳氫電池作為系統(tǒng)電源，穩(wěn)壓處理模塊和MCU都采用低功耗集成電路實現(xiàn)。IC的工作電源都采用由電池組穩(wěn)壓處理后的±5V或+3.3V電源供電。元器件盡量采用低功耗的SOP封裝形式，這樣可以將系統(tǒng)電路中的功耗降低到最小，滿足便攜式儀器的應用要求。傾角傳感器敏感元件是對角度信號敏感的電子元器件，可將被測端面的角度轉化為相對應的電信號。在這里為了測量較大的角度，降低系統(tǒng)的成本，我們采用了通用性比較強的集成電路式的傾角傳感器敏感元件SCA100T(芬蘭VTI公司產品)。SCA100T為雙軸測量的傾角傳感器敏感元件，內置溫度補償，零點溫漂少于0. lmg/°C，尺寸
11.3x15. 6x5. 1mm，屬于VTI產品中的高精度系列，可根據(jù)需要測量30或者90度量程范圍內的角度，敏感元件本身帶有SPI數(shù)字接口，也可使用0. 5-4. 5V電壓模擬輸出，最高分辨率為0. 0008度。為了降低系統(tǒng)功耗，增強可靠性，在此采用SPI數(shù)據(jù)輸出方式，可大大簡化電路，調試簡便，易于形成可靠的便攜式儀器平臺。儀器為滿足便攜式要求，采用干電池供電。設計中采用了四節(jié)可充電的鎳氫電池作為整個系統(tǒng)的電源?？紤]到電池的放電過程中，會隨著電路的耗能而逐漸減小自身存儲的電量，導致供電電壓不足，而使電路中部分元器件停止工做，所以必須采用穩(wěn)壓電源供電模塊來使之輸出比較穩(wěn)定的電壓。經過電源轉換效率及能耗的考慮選型，電路中的正電源部分采用了 MAXM公司的+5V、300mA輸出、開關式DC-DC轉換器MAX603。此DC-DC模塊可以允許的輸入電壓范圍是3V-15V，包含了四節(jié)I. 5V干電池供電電壓變化曲線中的范圍。通過此模塊使干電池組電壓在降低到比較低值的狀態(tài)后，仍舊可以供應穩(wěn)定的+5V直流電壓。而且此模塊的外形尺寸比較小，可以節(jié)約空間(封裝形式為S08)。系統(tǒng)中除了 +5V電源以外還需要-5V的電源，經過選擇，采用了 MAXM公司的開關型DC-DC轉換器MAX764作為-5V電源變換器。通過此模塊可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的-5V電壓，為系統(tǒng)提供所需負電源。MAX764可以允許輸入的電壓范圍為3V-15V，四節(jié)干電池供電允許降壓的范圍可以滿足此芯片的允許輸入電壓范圍。芯片也采用SOP封裝，性能優(yōu)越，功耗低，體積小，適合小型化、低功耗產品的需求?？紤]到以上選取的電源變換模塊屬于開關 電源模塊，輸出端子處有較大的紋波，因此需要在電壓輸出端外接適當?shù)呐月窞V波電容，以消除電源輸出紋波對系統(tǒng)中元器件所需電源供電的穩(wěn)定性的干擾。處理器模塊選用TI (德州儀器)公司出品的MSP430單片機。MSP430是TI單片機的一個系列，具有16位的精簡指令集，是業(yè)界極低功耗的混合型單片機。相對于傳統(tǒng)的89C51系列單片機，由于MSP430引進了 Flash型程序存儲器和JTAG技術，使得開發(fā)工具變得簡便，而且價格也相對低廉，并且還可以實現(xiàn)在線編程。本系統(tǒng)中選用了液晶模塊作為數(shù)據(jù)顯示的一種用戶接口方案。經過選型，我們選擇了 GTC08021液晶模塊作為顯示器件，該模塊將液晶顯示屏和液晶顯示控制器做在一個封裝好的模塊中，通過外接的引腳，可以直接與單片機的I/O端子及電源接口相連接。該模塊提供的液晶屏幕尺寸為35X15(mm)，顯示面積較大，用戶可以在這里清晰的觀察到測量并顯示的角度值數(shù)據(jù)信號。數(shù)據(jù)顯示為8X2的雙行顯示，有兩行顯示空間，每行可以顯示一個字符，可以滿足設計要求的雙路輸出顯示。整個液晶模塊外觀簡潔、體積較小，可以滿足小型化、便攜式儀器的設計要求。系統(tǒng)還提供了與上位機通訊的RS-232信號傳輸模塊。所以必須將單片機串行I/0接口 TXD輸出的TTL電平轉換為上位機可接收的RS-232電平信號。這里選用的RS-232處理模塊中，主控芯片選用的是MAXM公司的DS232芯片。此芯片可以將TTL電平轉換成RS-232電平，也可以將RS-232電平轉換成TTL電平，屬于雙向驅動/接收器。系統(tǒng)通過此芯片作為與上位機相連接的處理單元，將系統(tǒng)信號數(shù)據(jù)傳送到上位機中，上位機通過接收調整合適的波特率，使用COM端口來接收傳送過來的數(shù)據(jù)，用戶可以在RS-232協(xié)議允許的距離內通過上位機采集傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用戶可以方便的利用此數(shù)據(jù)來進行后向處理，實現(xiàn)與上位機通訊。本實用新型具有求外形小巧，結構堅固，重量輕、電池供電，操作方便的優(yōu)點。

圖I為實用新型結構示意圖具體實施方式
[0013]一種基于MEMS加速度計的便攜式傾角傳感器，包括傳感器敏感元件模塊(I)、電源供電模塊(2)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)，其特征在于電源供電模塊(2)與傳感器敏感元件模塊(I)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)連接，微處理器模塊(3)與傳感器敏感元件模塊(I)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)連接。角度敏感元件是使用一片輸出信號與感應到的傾角值相關的微機械集成電路，角度敏感元件輸出電壓信號。角度敏感元件處于水平狀態(tài)，則測量電路輸出電壓信號為OV ；當其向某一方向傾斜時，由于角度敏感元件感應到的加速度信號在豎直方向上的分量發(fā)生變化，所輸出的信號電壓值發(fā)生改變，其輸出信號值與傾角在一定范圍內成近似線性關系，較大范圍內則有對應的角度信號變換值。信號極性同傾斜方向有關。角度敏感元件輸出的角度電壓信號值經過信號處理電路處理后經由微處 理器控制，通過液晶顯示模塊將角度信號值直接顯示到液晶顯示器上。當傳感器發(fā)生傾斜時，其安裝面相對于水平面將產生夾角a，傳感器的目的就是將該物理變化量(a)轉換為電信號，提供給控制系統(tǒng)。由于重力加速度方向總是豎直向下，而加速度計測量方向與被測安裝面一致，所以如圖I所示，將重力加速度按加速度計測量方向進行正交分解，設重力加速度為G，則其沿加速度計測量方向的加速度分量為GX sina，設加速度計測量值為T，那么可得T = GX sina，則a =arcsin(T/G)。通過對加速度分量的測量及測得信號變換，可以求得載體在傾斜時的角度值。
權利要求1.一種基于MEMS加速度計的便攜式傾角傳感器，包括傳感器敏感元件模塊(I)、電源供電模塊(2)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)，其特征在于電源供電模塊(2)與傳感器敏感元件模塊(I)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)連接，微處理器模塊(3)與傳感器敏感元件模塊(I)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)連接。
專利摘要本實用新型涉及一種基于MEMS加速度計的便攜式傾角傳感器，包括傳感器敏感元件模塊(1)、電源供電模塊(2)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)，其特征在于電源供電模塊(2)與傳感器敏感元件模塊(1)、微處理器模塊(3)、液晶顯示模塊(4)連接，微處理器模塊(3)與傳感器敏感元件模塊(1)、液晶顯示模塊(4)、RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊(5)連接。本實用新型具有求外形小巧，結構堅固，重量輕、電池供電，操作方便的優(yōu)點。
文檔編號G01C9/00GK202372173SQ201120526370
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權日2011年12月16日
發(fā)明者劉學理, 史興燕, 左艷麗, 張江波, 樊宇, 程全 申請人:張江波