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1、基于ADXL202加速度传感器摘要： ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统，低本钱、低功耗、功能完善。ADXL202将敏感元件和后续电路集成在一个芯片上，将差动电容式加速度传感器与放大器，通过精密加工方式将其在硅片上制成的混合型加速度传感器。可广泛地应用在斜度测量、惯性导航、地震监测装置和交通平安系统等领域。本文详细地介绍了ADXL202的加速度测量的应用。测量范围为(210)g。关键词:传感器；加速度；ADXL202一、ADXL202 的引脚定义及根本特性 ADXL202为单片集成电路，集成度高、结构简单，内部包含多晶硅外表微处理传感器和信号控制电路，以实现开环加速度测量结
2、构。与其他加速度计相比，ADXL202可在很大程度上提高工作带宽，降低噪声影响，零重力偏差和温度漂移也相对较低。ADXL202封装如图。图1 ADXL202传感器的引脚图管脚序列名称功能1，6，8NC空置端2VTP检测端3ST自我测试端4，7COM公共接地端5T2外接ROUT，可设定T2周期9YOUTY轴脉宽信号输出端10XOUTX轴脉宽信号输出端11YFILT连接Y滤波电容12XFILT连接X滤波电容13,14VDD电源端，接+3V+5. 25V ADXL202传感器由振荡器， X、Y方向传感器，相位检波电路以及占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X 、Y 方向传感器是
3、2个相互正交的加速度传感器，它们同时工作，可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号，通过一个32k的电阻来驱动占空比调制器，通过在XFILT和YFILT引脚外接电容CX和CY来改变带宽。ADXL202具有以下特点:直流工作电压为+3V+5.25V；可承受1000g的剧烈冲击。可输出数字信号，其脉宽占空比与两根传感轴各自所感受到的加速度成正比。这些信号可直接传输给微处理器。输出信号周期在0.5ms10ms范围内，可用外接电阻RSET调节。如果需要与加速度成正比的模拟电压输出，那么可从XFILT和YFILT管脚输
4、出信号，或者使用对脉宽占空比输出信号滤波后的信号。ADXL202的带宽可以通过电容CX和CY在0.01Hz5kHz的范围内设定。60Hz带宽时的分辨率为5mg 。二、测量原理 ADXL202 采用先进的MEMS技术，在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅外表微机械传感器，并集成了一套精密的信号处理电路(如图2)。传感器主要是由一个利用外表微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。在加速度的作用下,多晶硅结构会产生偏移，于是就会拉动差动电容器的运动极板滑动使电容值发生变化。在信号处理电路中，差动电容器的变化信号由解调器解调后通过一个RC滤波器送到占空比调制器中。RC滤波器输出的模拟电压信号通过占空比调制
5、器转换为占空比与加速度成正比的方波，方波的周期(T2)可以通过Rs确定。这个方波可以直接送到单片机进行处理，从而得到加速度的值。用单片机进行数据处理时，可以使用计数器或其它方法测量方波的周期T2以及脉冲的宽度T1。解调器的输出通过32k的固定电阻输出到脉宽占空比解调器。这时，允许用户改变滤波电容的大小来设置输出信号的带宽。这种滤波提高了测量的精度，并有效地防止频率混叠。经过低通滤波后，模拟信号由脉宽占空调制器转换为脉宽占空比信号。通过一个电阻RSET将T2设定在0.5ms10ms范围内。在0g加速度时使输出占空比为50%。加速度可由一计数/ 计时器或低功耗的微控制器通过测量T1，T2来测得。图
6、2 ADXL202传感器的内部结构原理图 三、加速度的计算 输出信号周期T2=RSET/(125Ms-1)，如图3所示。图3 占空比信号信号通过低通滤波器之后，占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2引脚的外接电阻可以改变T2的周期(0.510ms)，这很适于在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。通过CX和CY来设定带宽，在XFILT和YFILT引脚接上电容，通过低通滤波器来减噪声。加速度的计算可以通过下式得到:a=(T1/T2-0.5)/(12.5%)，例如，当加速度为0g时，信号宽度T1与空闲宽度( T2-T1)相同，输出信号的占空比为50%;当加速
7、度为1g时，信号宽度T1与空闲宽度(T2-T1)的比值为53，输出信号的占空比为62.5%。四、电路设计信号检测及输出流程如下列图：图4 两轴方向加速度检测电路这里的电源电压为3V，灵敏度为187mV/g。外接放大器的增益为两倍，因此其输出为374mV/g。输出电压的范围为0+5V。与ADC0809要求的输入信号电压0+5V吻合。由检测电路输出的信号接入ADC0809的IN0口由于本设计需要用到A/D转换功能的只有电压检测，所以上图直接将74LS373地址口接地，即一直处于零通道输入A/D转换，这样可以节省单片机的运算时间，提高运算速度。ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D转换CMOS器件
8、，在过程控制和机床控制等应用中，能对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换，输出数字信号通过三态缓冲器，可直接与微处理器的数据总线相连接。 为了实现8路模拟信号的分时采集，片内设置了带有锁存功能的8路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁存和译码电路。可以9路0+5V的输入模拟电压进行分时转换，转换后的数据送入三态输出锁存器。ADC0809的主要特性如下：1 分辨率为8位。2 最大不可调误差小于ULSB。3 可锁存三态输出，能与8位微处理器接口。4 输出与TTL兼容。5 不必进行零点和满度调整。6 单电源供电，供电电压为+5V。7 转换速率取决与芯片的时钟频率，时钟频率范围是：101280KHZ。当
9、时钟频率选为500KHZ时对应的转换时间为128us。89C51单片机采用的是40引脚的双列直插封装DIP形式。在单片机的40条引脚中，有2条专用于主电源的引脚2条外接晶体的引脚，4条控制和其他电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。89C51单片机在一块硅片上集成了CPU、存储器、I/O接口等，从而构成为单片微型计算机。它的特性如下：1 面向控制的8位CPU和指令系统。2 128字节的数据存储器。3 可编程的并行I/O口P0P3，有32位双向输入/输出线。4 一个全双工串行口。5 两个16位定时/计数器。6 五个中断源，两个中断优先级的中断结构。7 一个片内时钟振荡器和时钟电路。8 可以寻址6
10、4K字节的程序存储器和64K字节的外部数据存储器。图5 A/D转换电路图6 显示输出 五、设置调试1、设置脉宽占空比信号 ADXL202的数字输出是脉宽占空比调制信号，T1/T2与被测加速度成正比。0g时，ADXL202的输出为50%占空比。灵敏度为每g所引起的脉宽占空比变化12. 5 %。0g时的失调和系统误差影响实际输出值。不必每次都测量T2只需在温度变化后适时修正。既然T2是X和Y两路共有的，因此，只需一次测量一路的T2值就行。2、ADXL202的定标 当ST接VDD时，将加一个静电压使传感器的中心电容极板发生偏转，等效于施加一个加速度力，帮助用户检查加速度计的功能。输出信号脉宽占空比为
11、10%，相当于80mg的加速度。平时该引脚可开路，亦可与COM引脚相连。 ADXL202在使用前应定标。ADXL202的专门设计使用户可方便、及时地进行定标。校准系数可存储在EEPROM或动态存储器中。在斜度测量时，重力系统是最稳定、最精确、应用最广泛的参照系。使装置的方向与水平面平行便可得到0g时的校准值。更为精确的定标方法是将测量范围定为1g和-1g。失调值和灵敏度均由这两点决定。3、分辨率 加速度计的分辨率由噪声水平决定, 同时还与微处理器在测量脉宽占空比信号时的分辨率有关。ADXL202的脉宽占空比信号具有14位的分辨率。加速度信号的实际分辨率还受脉宽占空比信号测量装置的分辨率的限制。
12、计算器运行速度越快,对给定的分辨率而言,脉宽调制信号的分辨率越高,T2越短。4. 应用实例ADXL202应用广泛，可作为斜度测量仪、测振仪等。在车载导航系统中，加速度传感器也有重要作用。加速度计完成数据采集任务，获得车辆瞬时加速度值，然后由推算定位法dead reckoning计算出当前位置相对于参考位置之间的偏移，从而得到车辆的绝对位置。在短时间内，利用这种方法得到的定位精度很高，例如：在平均加速度28.4mg的情况下，10s钟范围内，得到的定位误差大约是0.5m，与GPS单点平均定位误差15m20m相比，是微缺乏道的；但是可以想象，由于时间的增加，误差积累效应会越来越大，严重影响导航的精度。因此，加速度传感器通常和GPS一起组合成为组合导航系统，以提高定位精度，增强系统性能。参考文献1屈翠香；李刚.具有数字信号输出的双轴加速度传感器ADXL202J国外电子元器件1999 (8): 81.2何希才.常用传感器应用电路的设计与实践M北京：科学出版社，2007.3何立民.单片机高级教程M.北京:北京航空航天大学出版社,2006.4林玉池，曾周末.现代传感技术与系统M.北京：机械工业出版社，2021.
