智能加速度传感器的设计

1 引言

对于传统的加速度传感器而言，由于只具有感知环境，输出模拟信号的功能，应用范围受到了很大限制，譬如，在车辆振动测试行车试验中，就需要配置电脑、数据采集卡等设备。不但设备昂贵，而且由于车辆需要在行驶过程中测试，所以就必须加长信号传输线，既带来了测量的不便，也导致由于外界环境的干扰测试误差的加大。现有的测振仪由于存在着大多价格昂贵，操作复杂，测量精度较低的缺陷，很大程度上限制了它的广泛应用。

本文设计了一种智能压阻式加速度传感器，有效地克服了对于传统加速度传感器的输出特性容易受噪声、温度、电源纹波、湿度等多种因素的干扰，避免了应用场合的局限性，实现了加速度的精确测量。

2 硬件组成

根据智能加速度传感器的使用要求，在硬件电路上主要考虑以下几方面的问题 ：尽量采用集成化程度高的芯片，以减小主机体积，满足便携使用要求;采用低功耗的元器件，满足仪器长时间工作要求;选用宽工作温度范围的元器件，满足仪器在户外工作条件。根据以上原则构建了智能传感器的硬件电路，其组成如图1所示。智能加速度传感器主要由敏感元件、信号调理电路、A/D转换器、典型的单片机系统、键盘和电源等组成。

智能加速度传感器的工作原理是 ：敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信号，最后送入计算机，计算机再进行数据存储和显示。

2.1 敏感元件

系统采用在目前广泛应用于工业自动控制、汽车及其它车辆、振动及地震测试，科学测量等领域的硅微加速度传感元件，其结构及等效桥式电路如图2所示。

当传感元件以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度成正比a的形变，使悬臂梁也随之产生应力和应变。该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量[1]。

2.2 P89LPC932单片机系统

作为智能传感器的核心，单片机的选用主要是考虑到智能传感器的测量速度、精度、分辨率和其本身的数据处理能力，并且还要考虑到其与计算机的网络通讯功能。文中选择具有高集成度、低功耗、低成本等特点的P89LPC932单片机作为其作智能传感器的微控制器。它采用高性能的处理器结构，指令执行时间只需2～4个时钟周期，6倍于标准80C51单片机，并且具有增强型UART，具有帧错误检测、自动地址检测和通用的中断功能，I2C和SPI通讯端口。并且P89LPC932还集成了许多系统级的功能，可大大减少元件的数目并降低了系统的成本。同时，考虑到智能加速度传感器在测试过程中需要记录大量数据，单片机系统专门配置了全集成化并且不需设计刷新控制接口的8kB动态RAM2186，作为数据存储器。