专利名称：一种基于mems加速度计的便携式倾角传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种倾角传感器，涉及种基于MEMS加速度计的便携式倾角传感器。
背景技术：
目前，目前公知的测量设备对测量空间和测量环境要求较高、电力供应不足的场 合不能工作，尤其是在民用建筑、装修等领域中的解决手段不足以满足日益增长的便携式、智能化、及高精度、小体积重量轻、电池供电，操作方便的要求。这都大大限制了倾角传感器产品的推广。
发明内容本实用新型目的在于克服现有技术不足而提供一种基于MEMS加速度计的便携式倾角传感器，为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案一种基于MEMS加速度计的便携式倾角传感器，包括传感器敏感元件模块(I)、电源供电模块(2)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)，其特征在于电源供电模块(2)与传感器敏感元件模块(I)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)连接，微处理器模块(3)与传感器敏感元件模块(I)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)连接。敏感元件是对角度变化敏感的MEMS加速度传感器，其输出的倾斜信号即加速度值在特定范围内与角度成线性变化，因其输出的信号为电压信号或SPI数字信号，因此经过仪表放大器的适度放大后，变为对用户有用的电压信号。在信号采集和放大以后，通过A/D转换变为数字信号并将数字信号传送入MSP430单片机中进行滤波、限幅、角度化等处理，使之变为对应的精确的角度实时信号，并通过液晶模块进行显示以实现人机接口。另外配置RS-232信号传输模块，传感器可以通过该模块进行数据传输，实现与上位机的通讯。为满足仪器的便携式要求，在电源处理及电路元器件选择上，为保证电池的互换性采取四节镍氢电池作为系统电源，稳压处理模块和MCU都采用低功耗集成电路实现。IC的工作电源都采用由电池组稳压处理后的±5V或+3.3V电源供电。元器件尽量采用低功耗的SOP封装形式，这样可以将系统电路中的功耗降低到最小，满足便携式仪器的应用要求。倾角传感器敏感元件是对角度信号敏感的电子元器件，可将被测端面的角度转化为相对应的电信号。在这里为了测量较大的角度，降低系统的成本，我们采用了通用性比较强的集成电路式的倾角传感器敏感元件SCA100T(芬兰VTI公司产品)。SCA100T为双轴测量的倾角传感器敏感元件，内置温度补偿，零点温漂少于0. lmg/°C，尺寸
11.3x15. 6x5. 1mm，属于VTI产品中的高精度系列，可根据需要测量30或者90度量程范围内的角度，敏感元件本身带有SPI数字接口，也可使用0. 5-4. 5V电压模拟输出，最高分辨率为0. 0008度。为了降低系统功耗，增强可靠性，在此采用SPI数据输出方式，可大大简化电路，调试简便，易于形成可靠的便携式仪器平台。仪器为满足便携式要求，采用干电池供电。设计中采用了四节可充电的镍氢电池作为整个系统的电源。考虑到电池的放电过程中，会随着电路的耗能而逐渐减小自身存储的电量，导致供电电压不足，而使电路中部分元器件停止工做，所以必须采用稳压电源供电模块来使之输出比较稳定的电压。经过电源转换效率及能耗的考虑选型，电路中的正电源部分采用了 MAXM公司的+5V、300mA输出、开关式DC-DC转换器MAX603。此DC-DC模块可以允许的输入电压范围是3V-15V，包含了四节I. 5V干电池供电电压变化曲线中的范围。通过此模块使干电池组电压在降低到比较低值的状态后，仍旧可以供应稳定的+5V直流电压。而且此模块的外形尺寸比较小，可以节约空间(封装形式为S08)。系统中除了 +5V电源以外还需要-5V的电源，经过选择，采用了 MAXM公司的开关型DC-DC转换器MAX764作为-5V电源变换器。通过此模块可以为系统提供稳定的-5V电压，为系统提供所需负电源。MAX764可以允许输入的电压范围为3V-15V，四节干电池供电允许降压的范围可以满足此芯片的允许输入电压范围。芯片也采用SOP封装，性能优越，功耗低，体积小，适合小型化、低功耗产品的需求。考虑到以上选取的电源变换模块属于开关 电源模块，输出端子处有较大的纹波，因此需要在电压输出端外接适当的旁路滤波电容，以消除电源输出纹波对系统中元器件所需电源供电的稳定性的干扰。处理器模块选用TI (德州仪器)公司出品的MSP430单片机。MSP430是TI单片机的一个系列，具有16位的精简指令集，是业界极低功耗的混合型单片机。相对于传统的89C51系列单片机，由于MSP430引进了 Flash型程序存储器和JTAG技术，使得开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。本系统中选用了液晶模块作为数据显示的一种用户接口方案。经过选型，我们选择了 GTC08021液晶模块作为显示器件，该模块将液晶显示屏和液晶显示控制器做在一个封装好的模块中，通过外接的引脚，可以直接与单片机的I/O端子及电源接口相连接。该模块提供的液晶屏幕尺寸为35X15(mm)，显示面积较大，用户可以在这里清晰的观察到测量并显示的角度值数据信号。数据显示为8X2的双行显示，有两行显示空间，每行可以显示一个字符，可以满足设计要求的双路输出显示。整个液晶模块外观简洁、体积较小，可以满足小型化、便携式仪器的设计要求。系统还提供了与上位机通讯的RS-232信号传输模块。所以必须将单片机串行I/0接口 TXD输出的TTL电平转换为上位机可接收的RS-232电平信号。这里选用的RS-232处理模块中，主控芯片选用的是MAXM公司的DS232芯片。此芯片可以将TTL电平转换成RS-232电平，也可以将RS-232电平转换成TTL电平，属于双向驱动/接收器。系统通过此芯片作为与上位机相连接的处理单元，将系统信号数据传送到上位机中，上位机通过接收调整合适的波特率，使用COM端口来接收传送过来的数据，用户可以在RS-232协议允许的距离内通过上位机采集传感器系统数据，用户可以方便的利用此数据来进行后向处理，实现与上位机通讯。本实用新型具有求外形小巧，结构坚固，重量轻、电池供电，操作方便的优点。
图I为实用新型结构示意图具体实施方式
[0013]一种基于MEMS加速度计的便携式倾角传感器，包括传感器敏感元件模块(I)、电源供电模块(2)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)，其特征在于电源供电模块(2)与传感器敏感元件模块(I)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)连接，微处理器模块(3)与传感器敏感元件模块(I)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)连接。角度敏感元件是使用一片输出信号与感应到的倾角值相关的微机械集成电路，角度敏感元件输出电压信号。角度敏感元件处于水平状态，则测量电路输出电压信号为OV ；当其向某一方向倾斜时，由于角度敏感元件感应到的加速度信号在竖直方向上的分量发生变化，所输出的信号电压值发生改变，其输出信号值与倾角在一定范围内成近似线性关系，较大范围内则有对应的角度信号变换值。信号极性同倾斜方向有关。角度敏感元件输出的角度电压信号值经过信号处理电路处理后经由微处 理器控制，通过液晶显示模块将角度信号值直接显示到液晶显示器上。当传感器发生倾斜时，其安装面相对于水平面将产生夹角a，传感器的目的就是将该物理变化量(a)转换为电信号，提供给控制系统。由于重力加速度方向总是竖直向下，而加速度计测量方向与被测安装面一致，所以如图I所示，将重力加速度按加速度计测量方向进行正交分解，设重力加速度为G，则其沿加速度计测量方向的加速度分量为GX sina，设加速度计测量值为T，那么可得T = GX sina，则a =arcsin(T/G)。通过对加速度分量的测量及测得信号变换，可以求得载体在倾斜时的角度值。
权利要求1.一种基于MEMS加速度计的便携式倾角传感器，包括传感器敏感元件模块(I)、电源供电模块(2)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)，其特征在于电源供电模块(2)与传感器敏感元件模块(I)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)连接，微处理器模块(3)与传感器敏感元件模块(I)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种基于MEMS加速度计的便携式倾角传感器，包括传感器敏感元件模块(1)、电源供电模块(2)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)，其特征在于电源供电模块(2)与传感器敏感元件模块(1)、微处理器模块(3)、液晶显示模块(4)连接，微处理器模块(3)与传感器敏感元件模块(1)、液晶显示模块(4)、RS-232数据传输模块(5)连接。本实用新型具有求外形小巧，结构坚固，重量轻、电池供电，操作方便的优点。
文档编号G01C9/00GK202372173SQ201120526370
公开日2012年8月8日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者刘学理, 史兴燕, 左艳丽, 张江波, 樊宇, 程全 申请人:张江波