數(shù)字傾角測量儀的設計
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設計中的傾角傳感器是基于熱對流的傾角傳感器，該傾角傳感器質量較小，在大沖擊或高過載時產生的慣性力也很小，所以，具有較強的抗振動或沖擊能力，是為數(shù)不多的能夠兼有結構簡單、可靠性高、有通用傳感器集成電路等優(yōu)點的傾角傳感器之一。本設計通過傾角傳感器測量平臺的傾角，輸出電壓信號，經過運放放大后，輸出給單片機電路進行數(shù)據(jù)處理，最后，通過數(shù)碼管顯示傾角的大小，還可用做控制系統(tǒng)輸出控制信號調整平臺的傾角。
1 數(shù)字傾角測量儀的原理
傾角測量儀的整體硬件設計原理如圖1所示，它由傳感器、前置放大電路、A／D轉換電路及單片機系統(tǒng)等部分組成。傳感器采集加速度信息，經過內部轉換后輸出電壓值，電壓值分為兩路，一個是測量X軸方向上的加速度；另一個是測量Y軸方向上的加速度。兩路電壓信號經過低通濾波、運算放大器放大處理后輸出放大后的電壓給A／D轉換模塊，A／D轉換模塊輸出8位數(shù)字量給單片機進行處理，單片機最后輸出串行數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼管顯示電路輸出平臺的傾斜角度。
2 傳感器工作原理
設計中使用的傳感器為MXA2050A，其是位于一單片集成電路CMOSIC上的完整的加速度測量系統(tǒng)。該傳感器是基于自然對流而進行熱傳導的，在MXA2050A中氣體是密封腔體內的唯一運動體，它的質量較小，在大沖擊或高過載時產生的慣性力也很小，所以，具有較強的抗振動或沖擊能力。它是一個極其低廉的雙軸加速度計，因為不帶有移動部件，所以器件特別可靠，而且，還可采用基于一個亞微米的CMOS方法生產制造。這種方法可以生產小型尺寸的晶片，所以，這種器件非常低廉且多功能。MXA2050A加速度測量范圍是：±10gn，輸出量是兩路模擬電壓信號。允許分辨1 Hz帶寬中的低于10 mg。信號，頻響可擴展至40Hz。在附帶一個簡單外部電路的情況下，頻響擴展至160Hz。
熱對流加速度計包含一個密閉的腔體，腔體內充有流體，其中，有一個加熱元件將把腔體中加熱元件周圍的流體加熱，加熱后的流體發(fā)生膨脹而密度下降，在重力的作用下上升，周圍的相對冷的流體補充到空位置上，這樣，反復循環(huán)而造成熱對流傳導。在靜止狀態(tài)下溫度曲線是對稱的，在有加速度的情況下，由于自然對流熱傳導，使得任何方向上的加速度會擾亂溫度，引起溫度的不對稱。因此，加速度計中4個熱電堆的溫度和輸出電壓是相異的。不同的熱電堆輸出電壓直接正比于加速度。在加速度計上它們具有2個相同的加速度信號通道。一個是測量X軸方向上的加速度；另一個是測量Y軸方向上的加速度，其外圍電路如圖2所示。
3 運放、A／D轉換和顯示電路
在傳感器的應用中，高阻抗的前置放大器主要作用有2個：一是將傳感器的微弱信號放大；二是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出，設計中的前置放大器主要由AD623放大電路組成，電路圖如圖3所示。
運放AD623同時可以實現(xiàn)減法、加法、放大的功能，傳感器輸出的信號VX先減去其在水平方向時的零位電壓，然后，經過放大G倍，再加上參考電壓VREF，最后輸出為
通過調節(jié)RG1的大小就可以調節(jié)放大倍數(shù)，參考電壓由滑動變阻器分壓輸出。傳感器產生的電壓信號首先經過放大器后輸出給A／D轉換電路。A／D轉換采用TLC5510，可以實現(xiàn)由單片機控制轉換的速度，輸出數(shù)字量為8位，可以實現(xiàn)設計的精度要求。
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