專利名稱：一種數(shù)字式傾角傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是涉及一種數(shù)字式傾角傳感器。
技術(shù)背景
隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，以及電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，已經(jīng)有越 來(lái)越多的全數(shù)字智能傾角傳感器逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號(hào)輸出的模擬傾角傳感器，并且在 性能上遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的模擬傾角傳感器。相比模擬傾角傳感器，數(shù)字式傾角傳感器具有測(cè)量 精度高、分辨率高、輸出信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)及可直接接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理等優(yōu)點(diǎn)。
2008年1月16日授權(quán)公告的中國(guó)實(shí)用新型專利“雙軸傾角傳感器”(專利號(hào) ZL200620136463. 1，授權(quán)公告號(hào)CN 201007649Y)是一種數(shù)字式傾角傳感器，其包括用于將 感應(yīng)的重力加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的加速度計(jì)芯片，所述加速度計(jì)芯片的電壓輸出信 號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊接至用于對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行角度分析處理的CPU計(jì)算模塊，所述CPU計(jì) 算模塊的輸出經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊以RS422接口信號(hào)輸出。該雙軸傾角傳感器通過(guò)加速度計(jì)芯 片感知地球重力加速度在其測(cè)量軸上的分量的大小來(lái)確定物體的傾斜角度，響應(yīng)快、功耗 低。但該雙軸傾角傳感器的分辨率仍然不高，這樣將會(huì)給后續(xù)的數(shù)字處理帶來(lái)極大的困難； 同時(shí)，該雙軸傾角傳感器存在溫漂現(xiàn)象，將直接影響測(cè)量精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠有效提高分辨率，且能夠解決溫漂問(wèn) 題以提高測(cè)量精度的數(shù)字式傾角傳感器。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征 在于包括傾角傳感器芯片、信號(hào)調(diào)理放大模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)輸 出模塊，所述的傾角傳感器芯片集成有用于感應(yīng)載體的溫度的溫度傳感器，所述的傾角傳 感器芯片、所述的信號(hào)調(diào)理放大模塊、所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、所述的信號(hào)處理模塊和所 述的信號(hào)輸出模塊依次連接，所述的傾角傳感器芯片與所述的信號(hào)處理模塊連接；所述的 傾角傳感器芯片傳輸用于表示所述的溫度傳感器感應(yīng)得到的載體的溫度的數(shù)字溫度信號(hào) 給所述的信號(hào)處理模塊，所述的傾角傳感器芯片感應(yīng)重力加速度信號(hào)，并轉(zhuǎn)換重力加速度 信號(hào)為模擬差分電壓信號(hào)，傳輸模擬差分電壓信號(hào)給所述的信號(hào)調(diào)理放大模塊，所述的信 號(hào)調(diào)理放大模塊傳輸其處理后的模擬差分電壓信號(hào)給所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述的A/ D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模擬差分電壓信號(hào)為數(shù)字電壓信號(hào)，并傳輸數(shù)字電壓信號(hào)給所述的信 號(hào)處理模塊，所述的信號(hào)處理模塊對(duì)其接收到的數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字溫度信號(hào)進(jìn)行處理獲 得載體的傾斜角度信息，并傳輸載體的傾斜角度信息給所述的信號(hào)輸出模塊，所述的信號(hào) 輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的傾斜角度信息為串口輸出信號(hào)，通過(guò)設(shè)置于所述的信號(hào)輸出模塊上的 串口接口輸出。
所述的信號(hào)處理模塊分別通過(guò)SPI總線與所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和所述的傾角 傳感器芯片連接。
所述的信號(hào)輸出模塊上設(shè)置有RS485串口接口，所述的信號(hào)輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的 傾斜角度信息為RS485串口輸出信號(hào)，并通過(guò)設(shè)置于所述的RS485串口接口輸出。
所述的傾角傳感器芯片的型號(hào)為SCA103T。
所述的信號(hào)調(diào)理放大模塊包括型號(hào)為INA114的差分運(yùn)放芯片及主要由型號(hào)為 LTC1062的芯片和型號(hào)為0P177的芯片組成的低通濾波電路，所述的差分運(yùn)放芯片放大所 述的傾角傳感器芯片輸出的模擬差分電壓信號(hào)，并傳輸放大后的模擬差分電壓信號(hào)給所述 的低通濾波電路，所述的低通濾波電路濾波處理其接收到的模擬差分電壓信號(hào)，并傳輸濾 波處理后的模擬差分電壓信號(hào)給所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。
所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用型號(hào)為AD7732的A/D轉(zhuǎn)換器芯片。
所述的信號(hào)處理模塊采用型號(hào)為ATMEGA16的單片機(jī)。
所述的信號(hào)輸出模塊采用型號(hào)為MAX485的芯片。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)在傾角傳感器芯片與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊之間設(shè)置一個(gè)信號(hào)調(diào)理放大模塊，由信號(hào)調(diào)理放大模塊對(duì)傾角傳感器芯片輸出的模擬 電壓信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，再將處理后的模擬電壓信號(hào)傳輸給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， 通過(guò)信號(hào)調(diào)理放大模塊的處理，能夠有效提高傳感器的分辨率；另一方面，該傾角傳感器 芯片集成有溫度傳感器，傾角傳感器芯片將用于表示溫度傳感器感應(yīng)得到的載體的溫度 的數(shù)字溫度信號(hào)傳輸給信號(hào)處理模塊進(jìn)行分析處理，為實(shí)際測(cè)量提供了溫度補(bǔ)償，能夠 有效解決溫漂問(wèn)題，提高測(cè)量精度。此外，本數(shù)字式傾角傳感器采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS， Micro-Electro-Mechanical Systems)的傾角傳感器芯片進(jìn)行傾角測(cè)量，使本數(shù)字式傾角 傳感器具有體積小、成本低、精度高、可靠性良好等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的數(shù)字式傾角傳感器的組成示意圖； 圖2為型號(hào)為SCA103T的傾角傳感器芯片的電路圖； 圖3為信號(hào)調(diào)理放大模塊的電路圖；圖4為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的電路圖； 圖5為信號(hào)處理模塊的電路圖； 圖6為信號(hào)輸出模塊的電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
一種數(shù)字式傾角傳感器，如圖1所示，其包括傾角傳感器芯片1、信號(hào)調(diào)理放大模 塊2、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、信號(hào)處理模塊4和信號(hào)輸出模塊5，傾角傳感器芯片1集成有用 于感應(yīng)載體的溫度的溫度傳感器(圖中未示出)，傾角傳感器芯片1、信號(hào)調(diào)理放大模塊2、A/ D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、信號(hào)處理模塊4和信號(hào)輸出模塊5依次連接，其中A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3 通過(guò)SPI (serial peripheral interface)總線與信號(hào)處理模塊4連接，信號(hào)處理模塊4 與信號(hào)輸出模塊5連接，傾角傳感器芯片1通過(guò)SPI總線與信號(hào)處理模塊4連接。傾角傳 感器芯片1傳輸用于表示溫度傳感器感應(yīng)得到的載體的溫度的數(shù)字溫度信號(hào)給信號(hào)處理 模塊4，傾角傳感器芯片1感應(yīng)重力加速度信號(hào)，并轉(zhuǎn)換重力加速度信號(hào)為模擬差分電壓信號(hào)，傳輸模擬差分電壓信號(hào)給信號(hào)調(diào)理放大模塊2，信號(hào)調(diào)理放大模塊2傳輸其處理后的模 擬差分電壓信號(hào)給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3轉(zhuǎn)換模擬差分電壓信號(hào)為數(shù)字 電壓信號(hào)，并傳輸數(shù)字電壓信號(hào)給信號(hào)處理模塊4，信號(hào)處理模塊4對(duì)其以SPI總線的形式 接收到的數(shù)字電壓信號(hào)和數(shù)字溫度信號(hào)進(jìn)行處理獲得載體的傾斜角度信息，并傳輸載體的 傾斜角度信息給信號(hào)輸出模塊5，信號(hào)輸出模塊5轉(zhuǎn)換其接收到的載體的傾斜角度信息為 RS485串口輸出信號(hào)，通過(guò)設(shè)置于信號(hào)輸出模塊5上的RS485串口接口輸出。
在此具體實(shí)施例中，傾角傳感器芯片1采用芬蘭VIT公司生產(chǎn)的型號(hào)為SCA103T 的芯片U4，圖2給出了該傾角傳感器芯片的電路圖。如圖2所示，SCA103T芯片U4共有12 個(gè)引腳，其中第1引腳、第3引腳、第5引腳和第7引腳分別與信號(hào)處理模塊4連接，信號(hào)處 理模塊4從SCA103T芯片U4中讀取數(shù)字溫度信號(hào)，并根據(jù)SCA103T芯片U4手冊(cè)中的溫度 補(bǔ)償公式，實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量的溫度補(bǔ)償；第5引腳和第11引腳輸出差分比例模擬電壓信號(hào)進(jìn) 入信號(hào)調(diào)理放大模塊2，利用差動(dòng)測(cè)量原理減小普通模式的誤差和噪聲。
在此具體實(shí)施例中，信號(hào)調(diào)理放大模塊2具有差分放大和可保留直流分量的5階 低通濾波功能。信號(hào)調(diào)理放大模塊2的電路圖如圖3所示，其包括差分運(yùn)放INA114芯片U5 及主要由型號(hào)為L(zhǎng)TC1062的芯片U6和型號(hào)為0P177的芯片U7組成的低通濾波電路，差分 運(yùn)放INAl 14芯片U5放大來(lái)自SCA103T芯片U4的模擬差分電壓信號(hào)，INAl 14芯片U5的輸 出信號(hào)進(jìn)入低通濾波電路，低通濾波電路對(duì)模擬差分電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，在低通濾波 電路中型號(hào)為L(zhǎng)TC1062的芯片TO通過(guò)輸入端、輸出端接地電容耦合，在原理上形成不了產(chǎn) 生直流誤差的電路。
在此具體實(shí)施例中，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3具有M位分辨率和士 5V的輸入量程。A/ D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3的電路圖如圖4所示，其采用了 ADI公司生產(chǎn)的M位型號(hào)為AD7732的 A/D轉(zhuǎn)換器芯片Ul。用戶可通過(guò)簡(jiǎn)易數(shù)字接口對(duì)該A/D轉(zhuǎn)換器芯片Ul進(jìn)行配置，從而平衡 噪聲性能與數(shù)據(jù)吞吐量，實(shí)現(xiàn)最高12. 3 kHz的轉(zhuǎn)換速率。該A/D轉(zhuǎn)換器芯片Ul的模擬前 端具有兩個(gè)道，采用5V單模擬電源供電時(shí)，可接受最高士 10 V的單極性或真雙極性輸入范 圍。其作為一款高精度的A/D采集芯片，AD7732芯片Ul需要一個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源，考慮其 M位的精度，實(shí)際使用過(guò)程中必須選用一款高精度的基準(zhǔn)電壓源。ADI公司生產(chǎn)的型號(hào)為 ADR431的芯片U2是一款具有低噪聲、高精度參考、低溫度漂移性能參考源，滿足為AD7732 芯片Ul提供2. 5V電壓基準(zhǔn)的條件。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3采集信號(hào)調(diào)理放大模塊2輸出的 模擬電壓信號(hào)，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字電壓信號(hào)以SPI總線的形式發(fā)送給信號(hào)處理模塊4。
在此具體實(shí)施例中，信號(hào)處理模塊4采用了 Atmel公司生產(chǎn)的型號(hào)為ATMEGA16的 單片機(jī)U11，其電路圖如圖5所示。信號(hào)處理模塊4通過(guò)SPI總線分別接收來(lái)自傾角傳感器 芯片1的數(shù)字溫度信號(hào)和來(lái)自A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3的數(shù)字電壓信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算處理補(bǔ)償溫 度對(duì)實(shí)際測(cè)量的影響并將數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成載體的傾斜角度信息，然后以RS485串口總 線形式發(fā)送載體的傾斜角度信息給信號(hào)輸出模塊5。
在此具體實(shí)施例中，信號(hào)輸出模塊5的電路圖如圖6所示，信號(hào)輸出模塊5選用了 型號(hào)為MAX485的芯片U3，型號(hào)為MAX485的芯片U3轉(zhuǎn)換型號(hào)為ATMEGA16的單片機(jī)Ull輸 出的串行接口信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于包括傾角傳感器芯片、信號(hào)調(diào)理放大模塊、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)輸出模塊，所述的傾角傳感器芯片集成有用于感應(yīng)載 體的溫度的溫度傳感器，所述的傾角傳感器芯片、所述的信號(hào)調(diào)理放大模塊、所述的A/D模 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、所述的信號(hào)處理模塊和所述的信號(hào)輸出模塊依次連接，所述的傾角傳感器芯 片與所述的信號(hào)處理模塊連接；所述的傾角傳感器芯片傳輸用于表示所述的溫度傳感器感 應(yīng)得到的載體的溫度的數(shù)字溫度信號(hào)給所述的信號(hào)處理模塊，所述的傾角傳感器芯片感應(yīng) 重力加速度信號(hào)，并轉(zhuǎn)換重力加速度信號(hào)為模擬差分電壓信號(hào)，傳輸模擬差分電壓信號(hào)給 所述的信號(hào)調(diào)理放大模塊，所述的信號(hào)調(diào)理放大模塊傳輸其處理后的模擬差分電壓信號(hào)給 所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換模擬差分電壓信號(hào)為數(shù)字電壓信 號(hào)，并傳輸數(shù)字電壓信號(hào)給所述的信號(hào)處理模塊，所述的信號(hào)處理模塊對(duì)其接收到的數(shù)字 電壓信號(hào)和數(shù)字溫度信號(hào)進(jìn)行處理獲得載體的傾斜角度信息，并傳輸載體的傾斜角度信息 給所述的信號(hào)輸出模塊，所述的信號(hào)輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的傾斜角度信息為串口輸出信號(hào)， 通過(guò)設(shè)置于所述的信號(hào)輸出模塊上的串口接口輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于所述的信號(hào)處理模塊分 別通過(guò)SPI總線與所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和所述的傾角傳感器芯片連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于所述的信號(hào)輸出模塊上 設(shè)置有RS485串口接口，所述的信號(hào)輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的傾斜角度信息為RS485串口輸出 信號(hào)，并通過(guò)設(shè)置于所述的RS485串口接口輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于所述的傾 角傳感器芯片的型號(hào)為SCA103T。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于所述的信號(hào)調(diào)理放大模 塊包括型號(hào)為INA114的差分運(yùn)放芯片及主要由型號(hào)為L(zhǎng)TC1062的芯片和型號(hào)為0P177的 芯片組成的低通濾波電路，所述的差分運(yùn)放芯片放大所述的傾角傳感器芯片輸出的模擬差 分電壓信號(hào)，并傳輸放大后的模擬差分電壓信號(hào)給所述的低通濾波電路，所述的低通濾波 電路濾波處理其接收到的模擬差分電壓信號(hào)，并傳輸濾波處理后的模擬差分電壓信號(hào)給所 述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊采用型號(hào)為AD7732的A/D轉(zhuǎn)換器芯片。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于所述的信號(hào)處理模塊采 用型號(hào)為ATMEGA16的單片機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種數(shù)字式傾角傳感器，其特征在于所述的信號(hào)輸出模塊采 用型號(hào)為MAX485的芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)字式傾角傳感器，包括傾角傳感器芯片、信號(hào)調(diào)理放大模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)輸出模塊，傾角傳感器芯片集成有用于感應(yīng)載體的溫度的溫度傳感器，優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)在傾角傳感器芯片與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊之間設(shè)置一個(gè)信號(hào)調(diào)理放大模塊，由信號(hào)調(diào)理放大模塊對(duì)傾角傳感器芯片輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，再將處理后的模擬電壓信號(hào)傳輸給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)信號(hào)調(diào)理放大模塊的處理，能夠有效提高傳感器的分辨率；另一方面，該傾角傳感器芯片集成有溫度傳感器，傾角傳感器芯片將數(shù)字溫度信號(hào)傳輸給信號(hào)處理模塊進(jìn)行分析處理，為實(shí)際測(cè)量提供了溫度補(bǔ)償，能夠有效解決溫漂問(wèn)題，提高測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01C9/02GK102032900SQ20101056786
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者冷志鵬, 李宏偉, 王勇 申請(qǐng)人:寧波杉工結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)與控制工程中心有限公司