朱穎，周妤

（西安創(chuàng)聯(lián)科技(集團)有限責任公司，陜西西安，710065）

0 前言

MEMS 傳感器正逐步占據(jù)傳感器市場，與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。國內(nèi)的一些高校和研究機構已著手MEMS 傳感器技術的開發(fā)和研究，但在靈敏度、可靠性及新技術能力提升方面與國外相比還存在較大差距。許多MEMS 傳感器品種尚未具備批量生產(chǎn)的能力，離產(chǎn)品的實用化和產(chǎn)業(yè)化還很遠，有待于進一步提高和完善。因此，為了緊跟傳感器市場需求，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術高端化升級，整合現(xiàn)有資源，擴大產(chǎn)品類型，開展MEMS 傳感器項目研發(fā)勢在必行。近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了很多生產(chǎn)傾角儀的廠家，他們生產(chǎn)的傾角儀在國內(nèi)處于領先水平，精度也越來越高，體積越來越小。本文采用的MEMS 傳感芯片與STM32 單片機開發(fā)的傾角傳感器，具有體積小，穩(wěn)定性好，精度高的特點，能滿足大部分工業(yè)傾角測量需求。

1 電路原理設計

MEMS 雙軸傾角傳感器電路主要由加速度傳感器SCL3300D01-1、運算處理器TM32F103C8T6、串口通信模塊MAX3485ESA 以及電源模塊等組成。

電路系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 電路系統(tǒng)框圖

■1.1 角度信號采集單元

加速度傳感器負責前段信號的采集，信號調(diào)理等功能，采用日本村田Murata 的一款基于MEMS 技術數(shù)字傾角傳感器SCL3300D01-1，采用 SPI 數(shù)字接口，全溫度范圍內(nèi)零點誤差為±0.86°。該傳感器有很高的集成度，主要由雙軸加速度計、溫度傳感器、信號調(diào)理器和內(nèi)置AD 轉(zhuǎn)換等模塊組成，具有低噪聲、高耐沖擊性和溫度自補償?shù)忍攸c。工作溫度-40℃～125℃，供電電壓為3.3V，測量范圍±90℃（本設計角度范圍±30°）。傳感器模擬輸出分辨率 0.0025°。傳感器可根據(jù)算法的定義情況（角度解算方法、信號調(diào)理算法、濾波算法），搭建合理的外圍電路，達到穩(wěn)定可靠且精準的信號輸出。

單軸加速度傳感器測傾角原理如圖2 所示。當加速度傳感器放置于一個具有一定傾斜角的平面上，重力加速度沿斜面的分量為Ax。在X 方向產(chǎn)生θ 的角度，重力加速度為1g，根據(jù)三角函數(shù)的關系得出θ=arc sin（Ax/1g）。

圖2 單軸加速度傳感器測傾角原理

加速度傳感器不同方向的加速度以電壓變化量的方式出現(xiàn)，于是X 軸角度θ=arc sin（ΔUx/S）,ΔUx 為電壓變化量，S 為芯片的靈敏度，單位V/g。Y 軸有類似關系式。

電路原理圖如圖3 所示。

圖3 角度信號采集模塊電路圖

■1.2 運算處理器

微控制器是信號運算處理的核心部件。主要負責對收到的數(shù)據(jù)進行濾波、解算、誤差修正，最終得到高精度的傾斜角角度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)一部分通過串口傳輸給上位機進行角度實時顯示，另一部分傳輸至數(shù)據(jù)存儲模塊以便隨時調(diào)用。

該控制器選用意法半導體STM32F103C8T6 單片機芯片。它是一款基于32 位Cortex-M3 內(nèi)核增強型嵌入式系列CPU，主頻達到72 MHz，全雙工模式下通信速度可達 18 MIPS，寬電壓供電范圍，在2.0～3.6 V 之間，工作溫度-40℃～ 105℃，并且具有豐富的外設，包括看門狗、定時器、PWM、ADC、DAC、SPI 以及USART 和方波輸出等。功能全面，內(nèi)嵌4～16MHz 晶體振蕩器，擁有12 通道DMA 控制器，可完成數(shù)據(jù)采集、A/D 轉(zhuǎn)換、角度解算等，且有 51 個多功能雙向IO 口，能夠滿足設計需要，其電路原理圖如圖4 所示。

圖4 運算處理器電路圖

■1.3 數(shù)據(jù)通信電路

由于485 串行通信協(xié)議具有接口簡單、抗干擾能力強、可多機并聯(lián)且傳輸距離遠等優(yōu)點，故傳感器采用MAX3485通信協(xié)議，接口芯片采用MAX3485 為收發(fā)器，該芯片具有低功耗、抗干擾能力強等特點，傳輸速率可達2.5Mbps。電路原理圖如圖5 所示。

圖5 MAX3485 串行通信電路圖

■1.4 電源模塊設計

電源系統(tǒng)包括三部分，兩個電壓模塊及3.3V 基準電源。系統(tǒng)電路使用二級降壓結構設計，采用分級式壓降的方式，即通過轉(zhuǎn)換器將輸入電壓12～35V 轉(zhuǎn)換為一個5V 電壓，然后根據(jù)其它模塊將供電5V 降為3.3V。另外，信號采集基準源為 3.3V 電壓。

一級電源轉(zhuǎn)換芯片只需要給二級轉(zhuǎn)換電路供電，這樣可以減少電源電壓波動對后續(xù)電路的影響。該芯片采用德州儀器生產(chǎn)的低功耗、低壓差的線性穩(wěn)壓器 LMR14006YDDCR，休眠模式電流低至 28μA，可以將外接的 4～40V 電壓穩(wěn)定在 5V，電壓輸入端設計了二極管和保險絲，防止電源反接或電流超標造成內(nèi)部核心器件的損壞。

二級電源轉(zhuǎn)換芯片采用超低噪聲低壓差穩(wěn)壓器AMS1117-3.3，將一級電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換出的 5V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。輸出電壓為3.267-3.333V，電流在900-1500mA，靜態(tài)電流(最大)為10mA，且具有熱過載保護和短路保護功能，在電源的輸入和輸出端采用電容濾波增加電源穩(wěn)定性。

3.3V基準源為加速度計模塊提供軟件算法數(shù)據(jù)，基準源精度要求高，選用REF196GSZ 芯片實現(xiàn)5V 到3.3V 標準電壓基準，輸出電壓最大誤差為±2mV，靜態(tài)電流低至15μA。

2 軟件設計

基于Keil uVision V5.0 編程環(huán)境，開發(fā)了傳感器應用軟件，進行產(chǎn)品軟件系統(tǒng)設計，傳感器上電后先進行時鐘、串口、A/D，SPI、定時器和IO 口的初始化，采集信號運算處理等，程序添加了零點校準標定功能，通過發(fā)送指令就可以實現(xiàn)系統(tǒng)自標定。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 MEMS 雙軸傾角傳感器技術軟件流程圖

3 樣品測試

測試設備：采用Y3003RA 系列三維電動旋轉(zhuǎn)臺，該轉(zhuǎn)臺絕對定位精度為0.01°。

測試方法：首先對轉(zhuǎn)臺進行設備調(diào)試與零點位置校準，然后通過工裝夾具將角度傳感器固定在三維測試轉(zhuǎn)臺上，在測量滿量程范圍內(nèi)均勻取7 點進行角度檢測。測試結果及數(shù)據(jù)分析如表1 所示。

表1 角度測試數(shù)據(jù)表

圖7 MEMS 雙軸傾角傳感器硬件電路實物圖

4 結論

本文設計的MEMS 雙軸傾角傳感器具有性能穩(wěn)定、一致性好、測試精度高等特點，分辨率達到0.003°，經(jīng)計算傳感器的精度為0.02%，可以滿足多種工業(yè)應用要求，具有廣闊的市場前景。