基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的设计

ADC0 转换 ；（3） CNVSTR0 引 脚 输 入 信 号 上 升 沿 ，启 动 ADC0
转换；（4） T2 溢出，启动 ADC0 转换。
在 ADC0 转换期间，AD0BUZY 位保持“1”，转换完毕自动
清零。 ADC0BUZY 下降沿使 AD0INT 置“1”，若中断开启，则引
发相应中断。 该系统采用方式（1），步骤如下：先将 AD0INT 清
Design of digital dipmeter based on MEMS accelerometer
DUAN Xiao-min， LI Jie， LIU Wen-yi， SHA Cheng-xian （National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， Department of Electronic Science and Technology，
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 速度计，其内部包含微机械电容传感单元、温度传感器、传感
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 运放电路和差分输出电路。 Model 1221 系列单轴加速度计有
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]，
性价比的 C8051F040。 该单片机是系统控制核心，可完成数据
采集、A/D 转换、角度解算、LCD 显示控制。
2.4 LCD 显示器 LCD1602
LCD1602 显示容量为 16×2 个字符， 工作电压为 4.5~5.5 V，
在不开启背光灯时工作电流为 2 mA。 其优点是显示效果好、
价格低、开发方便。
4 结论
图 4 LCD1602 写操作时序图
利用 MEMS 加速度计和 SoC 单片机组合设计的倾角测量 仪具有体积小、重量轻、功耗低、响应速度快、使用方便等优 点。 通过标定和误差补偿加速度计，测量倾角精度可达 0.03°， 该测量仪在机械、建筑、军事等领域具有广阔应用前景。 参考文献: [1] 马 洪 连 ，郑 保 重 ，王 伟.基 于 MEMS 技 术 倾 角 测 量 系 统 的
生产的八阶巴特沃斯型开关电容式有源低通滤波器， 它的 3
dB 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
各有差异，传感器在不同温度下的输出也会有变化，再而安装
电路板也会造成一定误差，因此要提高测量精度，就需要在使
用前测试标定的相关参数，再根据具体温度进行误差补偿。 解
算完 的 倾角 值 在 LCD 实时 显 示 ，单片 机 控 制 LCD 显 示 ，图 4
为单片机控制 LCD1602 写操作的时序图。
2 系统硬件设计
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°。
图 1 为 系 统 组 成 框 图 ， 系 统 硬 件 由 MEMS 加 速 度 计 2.2 调理电路
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
图 1 系统组成框图 2.1 MEMS 加速度计 Model 1221
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]。
Model 1221 是 一 款 低 功 耗 、低 噪 音 、低 成 本 的 MEMS 加
C8051FXXX 单 片 机 是 完 全 集 成 的 混 合 信 号 系 统 级 芯 片
（SoC），具有与 MCS-51 完 全 兼容 的 指 令内 核 。 该 系列 单 片 机
采用流水线处理（pipe line）技术，不再区分时钟周期和系统周
期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效
零 ； 再 将 AD0BUZY 置 “1”， 启 动 ADC0 转 换 ； 然 后 查 询
AD0INT 是 否 为 “1”，即 查 询 ADC0 是 否 转 换 完 毕 ； 最 后 处 理
ADC0 转换数据。 ADC0 转换只需 16 个时钟周期。 若 ADC0 时
钟 与 系 统 时 钟 相 当 ，则 查 询 实 时 性 比 中 断 实 时 性 高 [6]。
示。 该倾角测量仪具有体积小、重量轻、精度高的特性，可广泛应用于建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等重力参考
系下测量倾角的场合。
关 键 词: MEMS 加速度计； 倾角测量仪； 单片机； 误差补偿
中图分类号: TP212.9
文献标识码: A
文 件 编 号 :1674-6236 （2009 ）08-0071-02
3 系统软件设计
系 统 上 电 后 ， 首 先 初 始 化 ，ADC0 采 集 MEMS 加 速 度 计 输 出 的 加 速 度 信 号和温度信号， 采集完一次后根据加 速度信号计算出具体的加速度值并进 行温度补偿， 则得到补偿后的加速度 值， 再计算出加速度值所对应的倾角 值 ， 最 后 将倾 角 值 输 出 至 LCD1602 显 示。 系统软件流程如图 3 所示。 3.1 C8051F040 的 A/D 采集与实现
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
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
North University of China， Taiyuan 030051， China）
Abstract:A new type digital dipmeter combined with the MEMS accelerometer and the SoC-type C8051F040 MCU is designed.By conditioning and A/D acquisition for MEMS accelerometer output signal,it compensates the temperature after obtaining digital signal,calculates inclination value and uses LCD1602 display.The dipmeter features small size,light weight,high precision,it can be widely used in building,machinery,roads,bridges and geological exploration and so on, such as gravity reference system to measure the inclination. Key words: MEMS（Micro Electro Mechanical System） accelerometer; dipmeter; MCU; error compensation
C8051F040 内 部 集 成 有 ADC0、 ADC1 两个 A/D 转换器，ADC0 为 12 位 图 3 系统软件流程 转换精度，ADC1 为 8 位转换精度。该系统采用 ADC0，该转换 器 有 9 个 通 道 ，可 动 态 选 择 模 拟 输 入 量 进 入 A/D 转 换 ，最 高 转换速度可达 100 kB/s。 在转换前，可编程增益放大器 PGA0 对模拟量放大或缩小，以满足实际需要。 ADC0 还有一个可编 程 监 控 模 块 ，当 ADC0 转 换 结 果 符 合 监 控 预 设 值 ，并 且 相 应 中断开启时， 将 引 发相 应 中 断。 ADC0 有 4 种 启 动方 式 ：（1） 将 AD0BUZY 位 置 “1”， 启 动 ADC0 转 换 ； （2） T3 溢 出 ， 启 动
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：
fOSC（kHz）=
105 3COSC（pF）
（1）
式 中 ， fOSC 为 MAX291 的 时 钟 频 率 ， 电 容 COSC 为 MAX291 提
供内时钟 。 因此系统采用 67 nF 电容得到 5 Hz 的截止频率 。
2.3 SoC 型单片机 C8051F040
摘要:设 计由 MEMS 加 速 度计 与 SoC 型 单 片 机 C8051F040 组 合 而 成 的 一 种 新 型 数 字 倾 角 测 量 仪 ，通 过 对 MEMS 加
速 度计 的 输 出信 号 进 行调 理 和 A/D 采集 ，并 且 在获 得 数 字信 号 后 进行 温 度 补偿 ，解 算 出 倾 角 值 并 通 过 LCD1602 显
Model 1221 及 其 调 理 电 路 、C8051F040 单 片 机 、LCD1602 型
图 2 为加速度计 Model 1221 的调理电路框图。
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
3.θ=arcsin（A/g）
（2）
式中，θ 为倾角，A 为加速度计的加速度值，g 为重力加速度。
式 （2） 中 A 是 经 标 定 后 的 加 速 度 值 ， 标 定 数 据 存 在