MEMS 高精度双轴倾角传感器的设计

朱颖，周妤

（西安创联科技(集团)有限责任公司，陕西西安，710065）

0 前言

MEMS 传感器正逐步占据传感器市场，与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。国内的一些高校和研究机构已着手MEMS 传感器技术的开发和研究，但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外相比还存在较大差距。许多MEMS 传感器品种尚未具备批量生产的能力，离产品的实用化和产业化还很远，有待于进一步提高和完善。因此，为了紧跟传感器市场需求，实现产业技术高端化升级，整合现有资源，扩大产品类型，开展MEMS 传感器项目研发势在必行。近年来，国内出现了很多生产倾角仪的厂家，他们生产的倾角仪在国内处于领先水平，精度也越来越高，体积越来越小。本文采用的MEMS 传感芯片与STM32 单片机开发的倾角传感器，具有体积小，稳定性好，精度高的特点，能满足大部分工业倾角测量需求。

1 电路原理设计

MEMS 双轴倾角传感器电路主要由加速度传感器SCL3300D01-1、运算处理器TM32F103C8T6、串口通信模块MAX3485ESA 以及电源模块等组成。

电路系统框图如图1 所示。

图1 电路系统框图

■1.1 角度信号采集单元

加速度传感器负责前段信号的采集，信号调理等功能，采用日本村田Murata 的一款基于MEMS 技术数字倾角传感器SCL3300D01-1，采用 SPI 数字接口，全温度范围内零点误差为±0.86°。该传感器有很高的集成度，主要由双轴加速度计、温度传感器、信号调理器和内置AD 转换等模块组成，具有低噪声、高耐冲击性和温度自补偿等特点。工作温度-40℃～125℃，供电电压为3.3V，测量范围±90℃（本设计角度范围±30°）。传感器模拟输出分辨率 0.0025°。传感器可根据算法的定义情况（角度解算方法、信号调理算法、滤波算法），搭建合理的外围电路，达到稳定可靠且精准的信号输出。

单轴加速度传感器测倾角原理如图2 所示。当加速度传感器放置于一个具有一定倾斜角的平面上，重力加速度沿斜面的分量为Ax。在X 方向产生θ 的角度，重力加速度为1g，根据三角函数的关系得出θ=arc sin（Ax/1g）。

图2 单轴加速度传感器测倾角原理

加速度传感器不同方向的加速度以电压变化量的方式出现，于是X 轴角度θ=arc sin（ΔUx/S）,ΔUx 为电压变化量，S 为芯片的灵敏度，单位V/g。Y 轴有类似关系式。

电路原理图如图3 所示。

图3 角度信号采集模块电路图

■1.2 运算处理器

微控制器是信号运算处理的核心部件。主要负责对收到的数据进行滤波、解算、误差修正，最终得到高精度的倾斜角角度数据，然后将数据一部分通过串口传输给上位机进行角度实时显示，另一部分传输至数据存储模块以便随时调用。

该控制器选用意法半导体STM32F103C8T6 单片机芯片。它是一款基于32 位Cortex-M3 内核增强型嵌入式系列CPU，主频达到72 MHz，全双工模式下通信速度可达 18 MIPS，宽电压供电范围，在2.0∼3.6 V 之间，工作温度-40℃∼ 105℃，并且具有丰富的外设，包括看门狗、定时器、PWM、ADC、DAC、SPI 以及USART 和方波输出等。功能全面，内嵌4∼16MHz 晶体振荡器，拥有12 通道DMA 控制器，可完成数据采集、A/D 转换、角度解算等，且有 51 个多功能双向IO 口，能够满足设计需要，其电路原理图如图4 所示。

图4 运算处理器电路图

■1.3 数据通信电路

由于485 串行通信协议具有接口简单、抗干扰能力强、可多机并联且传输距离远等优点，故传感器采用MAX3485通信协议，接口芯片采用MAX3485 为收发器，该芯片具有低功耗、抗干扰能力强等特点，传输速率可达2.5Mbps。电路原理图如图5 所示。

图5 MAX3485 串行通信电路图

■1.4 电源模块设计

电源系统包括三部分，两个电压模块及3.3V 基准电源。系统电路使用二级降压结构设计，采用分级式压降的方式，即通过转换器将输入电压12∼35V 转换为一个5V 电压，然后根据其它模块将供电5V 降为3.3V。另外，信号采集基准源为 3.3V 电压。

一级电源转换芯片只需要给二级转换电路供电，这样可以减少电源电压波动对后续电路的影响。该芯片采用德州仪器生产的低功耗、低压差的线性稳压器 LMR14006YDDCR，休眠模式电流低至 28μA，可以将外接的 4∼40V 电压稳定在 5V，电压输入端设计了二极管和保险丝，防止电源反接或电流超标造成内部核心器件的损坏。

二级电源转换芯片采用超低噪声低压差稳压器AMS1117-3.3，将一级电压转换芯片转换出的 5V 电压转换为3.3V。输出电压为3.267-3.333V，电流在900-1500mA，静态电流(最大)为10mA，且具有热过载保护和短路保护功能，在电源的输入和输出端采用电容滤波增加电源稳定性。

3.3V基准源为加速度计模块提供软件算法数据，基准源精度要求高，选用REF196GSZ 芯片实现5V 到3.3V 标准电压基准，输出电压最大误差为±2mV，静态电流低至15μA。

2 软件设计

基于Keil uVision V5.0 编程环境，开发了传感器应用软件，进行产品软件系统设计，传感器上电后先进行时钟、串口、A/D，SPI、定时器和IO 口的初始化，采集信号运算处理等，程序添加了零点校准标定功能，通过发送指令就可以实现系统自标定。程序流程图如图6 所示。

图6 MEMS 双轴倾角传感器技术软件流程图

3 样品测试

测试设备：采用Y3003RA 系列三维电动旋转台，该转台绝对定位精度为0.01°。

测试方法：首先对转台进行设备调试与零点位置校准，然后通过工装夹具将角度传感器固定在三维测试转台上，在测量满量程范围内均匀取7 点进行角度检测。测试结果及数据分析如表1 所示。

表1 角度测试数据表

图7 MEMS 双轴倾角传感器硬件电路实物图

4 结论

本文设计的MEMS 双轴倾角传感器具有性能稳定、一致性好、测试精度高等特点，分辨率达到0.003°，经计算传感器的精度为0.02%，可以满足多种工业应用要求，具有广阔的市场前景。