加速度傳感器ADXL50在導(dǎo)彈行軍中的應(yīng)用

1 設(shè)計(jì)方案
    設(shè)計(jì)方案如圖1所示：包括傳感器及外圍電路、信號(hào)處理裝置、顯示報(bào)警電路等3部分。傳感器及外圍電路封裝于小型屏蔽容器內(nèi)，固定于導(dǎo)彈載行車(chē)上，ADXL50加速度傳感器采集振動(dòng)加速度信號(hào)，并輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)；信號(hào)處理部分接收到傳感器采集來(lái)的模擬電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，將加速度的值顯示于LED上，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷與處理，當(dāng)超過(guò)安全范圍時(shí)給出報(bào)警，提醒司機(jī)注意駕駛。

2 傳感器及外圍電路的設(shè)計(jì)
    方案擬采用美國(guó)AD公司生產(chǎn)的ADXL50加速度計(jì)作為加速度傳感器。該器件集成在單片集成電路上，采用差動(dòng)電容作為敏感元件，直接輸出電壓信號(hào)，便于信號(hào)的采集與處理。
2．1 ADXL50的主要技術(shù)指標(biāo)
    測(cè)量靈敏度為19mV／g；滿(mǎn)刻度測(cè)量范圍為±50g；頻率響應(yīng)范圍為DC～1 kHz；在開(kāi)關(guān)信號(hào)控制下可進(jìn)行自檢；內(nèi)置緩沖放大器，可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調(diào)節(jié)。
2．2 ADXL50工作原理和基本測(cè)量電路
    ADXL50是一個(gè)完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)，它將一個(gè)傳感器部件和完成加速度測(cè)量有關(guān)的電路，包括振蕩器、解調(diào)器、前置放大器、緩沖放大器、參考電源及溫度補(bǔ)償電路等。全部集成在一片硅晶片上。芯片封裝于10腳T0100管殼內(nèi)，這10腳的定義如圖2所示。

    圖3為加速度傳感器的原理框圖。其中使用了3個(gè)外接電容和3個(gè)外接電阻。C1用以決定測(cè)量系統(tǒng)的帶寬，C1和C2的容量一般選用O～0．2 2μF，C2一般為0．1μF即可。ADXL50在出廠前，廠家已將其前置放大器的測(cè)量靈敏度調(diào)整為19 mV／g，其Og時(shí)的輸出電壓VPR為1．8 V。因此，若加速度為±50g，則VPR=1．8V±O．95V，若加速度為±20g，則VPR=1．8 V±O．38V。由于在VPR上的信號(hào)不標(biāo)準(zhǔn)，不適于讀取進(jìn)行
顯示或進(jìn)行數(shù)字化處理。另外，ADXL50前置放大器的注入電流最大只能有25μA，驅(qū)動(dòng)能力很小，因此，VPR上的信號(hào)要做進(jìn)一步處理，才能滿(mǎn)足要求。一般外接幾個(gè)電阻與緩沖放大器構(gòu)成一個(gè)放大環(huán)節(jié)，以調(diào)整傳感器的VPR的Og電位，并提高輸出信號(hào)的靈敏度。
    經(jīng)緩沖放大后的加速度信號(hào)，其變化范圍最好處于0．5～4．5V之間，使之距電源的高低兩端都有一定的余量。若加速度正、負(fù)兩方向的變化幅度相近，就可將Og電位調(diào)在2．5V左右。這樣，正、負(fù)加速度信號(hào)在傳感器輸出口Vout上就有±2V的變化范圍。設(shè)待測(cè)加速度的范圍為±50g，則VPR=1．8 V±O，95 V，欲使Vout=2．5V±2．OV，就需將信號(hào)中的交流分量放大。緩沖放大器的放大系數(shù)為-R3／R1，所以，若取R1=50kΩ，即可確定R3=105 kΩ。
    在圖3中，R2的一端接地，為使0g時(shí)Vout=2．5V，R2應(yīng)滿(mǎn)足條件：R2=(1．8×R3)／(Vout-1．8)=270 kΩ。
2．3 ADXL50在使用時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)
    (1)ADXL50有一個(gè)靈敏軸，其方向是從第5腳指向第10腳(即指向管殼定位片)，如圖2所示。傳感器測(cè)量的就是沿此軸的加速度。設(shè)此軸為x軸，又設(shè)在傳感器管殼底部平面內(nèi)與x軸垂直的方向?yàn)閥軸。若加速度g的方向與傳感器底部xy平面之間的夾角為α，則加速度g在xy平面上的分量為gxy=gcosα。又設(shè)加速度分量gxy與傳感器靈敏軸之間的夾腳為β，則gxy在靈敏軸上的分量為gx=gxycosβ=gcosαcosβ。因此，在安裝加速度傳感器時(shí)，要盡量使其靈敏軸與加速度的方向一致，否則就得對(duì)測(cè)量結(jié)果做必要的修改，以免造成過(guò)大的誤差。
    (2)ADXL50要安裝在電路板上使用。在電路板的共振頻率與待測(cè)加速度的頻率相近時(shí)，若電路板稍有松動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生共振，使測(cè)量結(jié)果偏大，造成誤差。因此，在安裝電路板時(shí)，要選擇合適的位置，固定牢靠。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，最好在不同的頻率下測(cè)試，以便發(fā)現(xiàn)可能的共振問(wèn)題。
    (3)解調(diào)器濾波電容C1的作用：決定ADXL50的帶寬；對(duì)解調(diào)器信號(hào)進(jìn)行濾波。

3 信號(hào)處理裝置
3．1 ADC0809
    ADC0809是一種由單一+5 V電源供電，采用逐次逼近轉(zhuǎn)換原理，能夠?qū)?路O～+5 V輸入模擬電壓進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換的通用型可編程A／D轉(zhuǎn)換器。ADC0809模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)鐘具有寬廣的適用頻率范圍。該模／數(shù)轉(zhuǎn)換器適用的最高有效工作時(shí)鐘頻率約為3MHz，最小模／數(shù)轉(zhuǎn)換的周期可達(dá)24μs，所以其采樣頻率最高達(dá)到41 kHz。而導(dǎo)彈載行車(chē)在行軍和起豎過(guò)程中振動(dòng)頻率一般不超過(guò)200 Hz，根據(jù)采樣定理，完全可以滿(mǎn)足測(cè)量需要。
3．2 單片機(jī)及其編程
    方案擬采用MCS51系列單片機(jī)，它可以直接與ADC0809模／數(shù)轉(zhuǎn)換器相接。3個(gè)加速度傳感器采集3個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)(左右方向、上下方向、前后方向)，經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換器的3個(gè)輸入端轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由單片機(jī)采集。單片機(jī)主程序首先開(kāi)辟3個(gè)內(nèi)存區(qū)，每個(gè)內(nèi)存區(qū)為10個(gè)字節(jié)單位，分別用于存儲(chǔ)3個(gè)輸入端的采集數(shù)據(jù)，然后依次循環(huán)讀取ADC0809的3個(gè)輸入端(INO，INl，IN2)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，顯示在LED顯示屏上，同時(shí)與預(yù)先設(shè)定的固定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較：如果處在合格范圍內(nèi)，則繼續(xù)依次循環(huán)讀取下一個(gè)輸入端的數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)每個(gè)輸入端最近10次的值；如果讀取的某一個(gè)輸入端數(shù)據(jù)超出合格范圍，則先將本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后繼續(xù)讀取該輸入端數(shù)據(jù)N(N<9)次，每次讀數(shù)據(jù)后及時(shí)存儲(chǔ)，讀完N次后求該輸入端所存儲(chǔ)的10次數(shù)據(jù)的平均值，如果仍然超出合格范圍，則迅速報(bào)警，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路使喇叭嗚叫、警示燈閃亮。通過(guò)這種對(duì)數(shù)據(jù)求平均方法，可以濾除一些奇異值等隨機(jī)干擾。

4 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)導(dǎo)彈載行車(chē)載彈運(yùn)輸過(guò)程的分析，提出了利用單片集成式加速度傳感器ADXL50和單片機(jī)電路來(lái)測(cè)量振動(dòng)加速度的一套方案。主要介紹ADXL50單片集成加速度傳感器、單片機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的組成。并采用平滑濾波的方法濾除一些隨機(jī)干擾。該方案電路簡(jiǎn)潔，設(shè)計(jì)的可靠冗余性較高，對(duì)于測(cè)試車(chē)載系統(tǒng)加速度有較好的借鑒作用。