|
|
     |
Инклинометр - устройство, предназначенное для измерения угла наклона различных объектов, относительно гравитационного поля Земли. Различают три основные группы датчиков наклона, это одноосевые (ось X), двухосевые (оси X и Y) и трёхосевые (оси X,Y и Z). На объекте, находящемся в статическом состоянии, инклинометр измеряет угловые характеристики его пространственного расположения. Однако на движущемся, подверженном действию вибрации, ускоряющемся объекте, показания датчика зависят также от ускорений.
Примеры применения инклинометров:
Данная статья посвящена цифровому угломеру на основе трёх-осевого емкостного датчика акселерометра MMA7260Q.
Акселерометр – прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения.
Кажущееся ускорение – ускорение, вызванное равнодействующей сил негравитационной природы, действующая на массу и равное этой силе отнесённой к величине этой массы. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя. Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров.
Микросхемы акселерометров в настоящее время используются во многих устройствах – мобильных телефонах, КПК, системах стабилизации и т.п.
Акселерометры имеют достаточно давнюю историю развития, и наиболее естественной идеей является построение акселерометров на механических принципах. Инерциальная масса смещается под действием ускорения и воздействует на тензодатчик. Такие устройства достаточно объемны, имеют низкую воспроизводимость, плохую устойчивость к ударным воздействиям и малую долговечность, что характерно для чисто механических устройств. Значительно лучшими параметрами обладают пьезоэлектрическиедатчики ускорения, в которых физическая деформация кристаллической структуры приводит к изменению ее проводимости. Однако наилучшими характеристиками обладают емкостные полупроводниковые датчки, в которых параллельно движущиеся пластины образуют переменный конденсатор. Преимущества датчиков такого типа, в которых сочетаются достоинства интегральной технологии и емкостного метода измерения, приведены ниже:
Преимущества емкостных полупроводниковых датчиков
Преимущества полупроводниковых датчиков:
Преимущества емкостного метода:
Принцип работы емкостного инерциального сенсора показан на рисунке:
Рис. 1
Структурная схема инерциального датчика
Три пластины образуют последовательное соединение двух конденсаторов. При этом две крайние жестко закреплены, а центральная может смещаться под действием инерциальных сил. Изменение расстояния между пластинами приводит к изменению емкости обоих конденсаторов. Благодаря многолетнему опыту в разработке, производстве и совершенствовании МЭМС-устройств, компании Freescale Semiconductor удалось осуществить такую микромеханическую систему в едином кристалле. Ее конструкция, под названием G-Cell, приведена на рисунке 2. Она включает в себя четыре пластины из поликристаллического кремния, три из которых образуют обкладки конденсаторов, а четвертая используется для реализации функции самотестирования.
Законченный инерциальный датчик Freescale Semiconductor представляет собой не только чувствительный элемент G-Cell, но и интегрированную в тот же кристалл довольно сложную схему обработки сигнала, упрощенный вариант которой приведен на рисунке 3 на примере двухосевого датчика ускорения.
Рис. 2
Конструкция полупроводникового инерциального датчика
В связи с тем, что сдвиг центральной пластины очень мал, таковым является и изменение емкости (порядка 10…15 Ф). Поэтому лучше измерять разницу между емкостями двух конденсаторов. Ток подается поочередно на каждый из конденсаторов сенсора G-Cell в течение фиксированного временного интервала. При этом напряжение на выходе интегратора, обратно пропорциональное емкости конденсатора, фиксируется в блоке хранения и сравнения. Сигнал на выходе последнего пропорционален разности емкостей. Далее сигнал поступает на ФНЧ, который ограничивает его высокочастотные составляющие, и усиливается еще одним усилителем, который одновременно обеспечивает температурную компенсацию. Для примера на рисунке 4 приведена типовая форма импульса на выходе инерциального датчика c номинальным диапазоном ±40 g при ударном воздействии вдоль чувствительной оси.
Рис. 3
Упрощенная схема двухосевого датчика ускорения Freescale Semiconductor
Рис. 4
Типовая форма импульса на выходе инерциального датчика при ударном воздействии
Приступим к практике!
Рис. 5
Основные компоненты:
Микроконтроллер – Atmega32
Аналогов-цифровой преобразователь – AD7799
Источник опорного напряжение – ADR423
Источник питания – L78M05
Дисплей – WH1602P
Датчик акселерометра – MMA7260Q
***
Размер QFN корпуса MMA7260Q очень маленький, но при определенной сноровке датчик можно без проблем припаять и обычным паяльником. Напряжение питания составляет 3.3 Вольта, для питания MMA7260Q был использован источник опорного напряжения ADR423. Так же напряжение с него подается на АЦП на 9-й пин REFIN(+).
MMA7260Q обладает возможность выбора чувствительности (1.5g/2g/4g/6g). В данном проекте ножки выбора чувствительности посажены на землю, что задает чувствительность 800 mV/g.
С аналоговых выходов датчика MMA7260Q сигнал поступает на трех-канальный сигма-дельта АЦП AD7799. Для микроконтроллера Atmega32 написан драйвер для работы с AD7799. МК последовательно считывает значения для трёх осей и переводит значения в градусы. Вывод на индикацию осуществляется через драйвер для работы с дисплеем WH1602P. Прошивку можно скачать в конце статьи.
Схема:
Рис. 6
На плате выведены два разъема ISP и JTAG. Джампер и кнопка могут быть использованы при калибровке датчика.
После травления:
Рис. 7
После пайки:
Рис. 8
Результат:
Рис. 9
Скачать прошивку.
Скачать исходный код на С
Литература: «Инерциальные МЭМС-датчики. Freescale Semiconductor» Александр Маргелов. «Chip News» 15 (108), 2006
Автор: Лунёв Эдуард Юрьевич, г. Екатеринбург. Сайт автора. E-Mail:support@soft-ee.com
| Если вы разработали схему или написали статью, и хотите чтобы о ней узнали все, пишите нам и мы разместим вашу статью (схему). Подробнее... |
|
Сайт eldigi.ru При
копировании материала с данного сайта, обязательна ссылка на сайт
eldigi.ru и на первоисточник! Администрация сайта eldigi.ru |
|