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量 精度高、分辨率高、輸出信號抗干擾能力強(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)公告的中國實(shí)用新型專利“雙軸傾角傳感器”(專利號 ZL200620136463. 1，授權(quán)公告號CN 201007649Y)是一種數(shù)字式傾角傳感器，其包括用于將 感應(yīng)的重力加速度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的加速度計(jì)芯片，所述加速度計(jì)芯片的電壓輸出信 號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊接至用于對該電壓信號進(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)信號轉(zhuǎn)換模塊以RS422接口信號輸出。該雙軸傾角傳感器通過加速度計(jì)芯 片感知地球重力加速度在其測量軸上的分量的大小來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，這樣將會給后續(xù)的數(shù)字處理帶來極大的困難； 同時，該雙軸傾角傳感器存在溫漂現(xiàn)象，將直接影響測量精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠有效提高分辨率，且能夠解決溫漂問 題以提高測量精度的數(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、信號調(diào)理放大模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊和信號輸 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、所述的信號處理模塊和所 述的信號輸出模塊依次連接，所述的傾角傳感器芯片與所述的信號處理模塊連接；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 給所述的信號處理模塊，所述的傾角傳感器芯片感應(yīng)重力加速度信號，并轉(zhuǎn)換重力加速度 信號為模擬差分電壓信號，傳輸模擬差分電壓信號給所述的信號調(diào)理放大模塊，所述的信 號調(diào)理放大模塊傳輸其處理后的模擬差分電壓信號給所述的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為數(shù)字電壓信號，并傳輸數(shù)字電壓信號給所述的信 號處理模塊，所述的信號處理模塊對其接收到的數(shù)字電壓信號和數(shù)字溫度信號進(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輸出模塊，所述的信號 輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的傾斜角度信息為串口輸出信號，通過設(shè)置于所述的信號輸出模塊上的 串口接口輸出。
所述的信號處理模塊分別通過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。
所述的信號輸出模塊上設(shè)置有RS485串口接口，所述的信號輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的 傾斜角度信息為RS485串口輸出信號，并通過設(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為SCA103T。
所述的信號調(diào)理放大模塊包括型號為INA114的差分運(yùn)放芯片及主要由型號為 LTC1062的芯片和型號為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，并傳輸放大后的模擬差分電壓信號給所述 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，并傳輸濾 波處理后的模擬差分電壓信號給所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。
所述的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用型號為AD7732的A/D轉(zhuǎn)換器芯片。
所述的信號處理模塊采用型號為ATMEGA16的單片機(jī)。
所述的信號輸出模塊采用型號為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)置一個信號調(diào)理放大模塊，由信號調(diào)理放大模塊對傾角傳感器芯片輸出的模擬 電壓信號進(jìn)行放大和濾波處理，再將處理后的模擬電壓信號傳輸給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， 通過信號調(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)字溫度信號傳輸給信號處理模塊進(jìn)行分析處理，為實(shí)際測量提供了溫度補(bǔ)償，能夠 有效解決溫漂問題，提高測量精度。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為型號為SCA103T的傾角傳感器芯片的電路圖； 圖3為信號調(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為信號處理模塊的電路圖； 圖6為信號輸出模塊的電路圖。
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、信號調(diào)理放大模 塊2、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、信號處理模塊4和信號輸出模塊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、信號調(diào)理放大模塊2、A/ D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3、信號處理模塊4和信號輸出模塊5依次連接，其中A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3 通過SPI (serial peripheral interface)總線與信號處理模塊4連接，信號處理模塊4 與信號輸出模塊5連接，傾角傳感器芯片1通過SPI總線與信號處理模塊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)字溫度信號給信號處理 模塊4，傾角傳感器芯片1感應(yīng)重力加速度信號，并轉(zhuǎn)換重力加速度信號為模擬差分電壓信號，傳輸模擬差分電壓信號給信號調(diào)理放大模塊2，信號調(diào)理放大模塊2傳輸其處理后的模 擬差分電壓信號給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為數(shù)字 電壓信號，并傳輸數(shù)字電壓信號給信號處理模塊4，信號處理模塊4對其以SPI總線的形式 接收到的數(shù)字電壓信號和數(shù)字溫度信號進(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輸出模塊5，信號輸出模塊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，通過設(shè)置于信號輸出模塊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引腳分別與信號處理模塊4連接，信號處 理模塊4從SCA103T芯片U4中讀取數(shù)字溫度信號，并根據(jù)SCA103T芯片U4手冊中的溫度 補(bǔ)償公式，實(shí)現(xiàn)角度測量的溫度補(bǔ)償；第5引腳和第11引腳輸出差分比例模擬電壓信號進(jìn) 入信號調(diào)理放大模塊2，利用差動測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 及主要由型號為LTC1062的芯片U6和型號為0P177的芯片U7組成的低通濾波電路，差分 運(yùn)放INAl 14芯片U5放大來自SCA103T芯片U4的模擬差分電壓信號，INAl 14芯片U5的輸 出信號進(jìn)入低通濾波電路，低通濾波電路對模擬差分電壓信號進(jìn)行濾波處理，在低通濾波 電路中型號為LTC1062的芯片TO通過輸入端、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位型號為AD7732的 A/D轉(zhuǎn)換器芯片Ul。用戶可通過簡易數(shù)字接口對該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 端具有兩個道，采用5V單模擬電源供電時，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需要一個外部基準(zhǔn)電壓源，考慮其 M位的精度，實(shí)際使用過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采集信號調(diào)理放大模塊2輸出的 模擬電壓信號，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字電壓信號以SPI總線的形式發(fā)送給信號處理模塊4。
在此具體實(shí)施例中，信號處理模塊4采用了 Atmel公司生產(chǎn)的型號為ATMEGA16的 單片機(jī)U11，其電路圖如圖5所示。信號處理模塊4通過SPI總線分別接收來自傾角傳感器 芯片1的數(shù)字溫度信號和來自A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3的數(shù)字電壓信號，通過運(yùn)算處理補(bǔ)償溫 度對實(shí)際測量的影響并將數(shù)字電壓信號轉(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輸出模塊5。
在此具體實(shí)施例中，信號輸出模塊5的電路圖如圖6所示，信號輸出模塊5選用了 型號為MAX485的芯片U3，型號為MAX485的芯片U3轉(zhuǎn)換型號為ATMEGA16的單片機(jī)Ull輸 出的串行接口信號。
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、信號調(diào)理放大模塊、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊，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、所述的信號處理模塊和所述的信號輸出模塊依次連接，所述的傾角傳感器芯 片與所述的信號處理模塊連接；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)字溫度信號給所述的信號處理模塊，所述的傾角傳感器芯片感應(yīng) 重力加速度信號，并轉(zhuǎn)換重力加速度信號為模擬差分電壓信號，傳輸模擬差分電壓信號給 所述的信號調(diào)理放大模塊，所述的信號調(diào)理放大模塊傳輸其處理后的模擬差分電壓信號給 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為數(shù)字電壓信 號，并傳輸數(shù)字電壓信號給所述的信號處理模塊，所述的信號處理模塊對其接收到的數(shù)字 電壓信號和數(shù)字溫度信號進(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 給所述的信號輸出模塊，所述的信號輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的傾斜角度信息為串口輸出信號， 通過設(shè)置于所述的信號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處理模塊分 別通過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輸出模塊上 設(shè)置有RS485串口接口，所述的信號輸出模塊轉(zhuǎn)換載體的傾斜角度信息為RS485串口輸出 信號，并通過設(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調(diào)理放大模 塊包括型號為INA114的差分運(yùn)放芯片及主要由型號為LTC1062的芯片和型號為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，并傳輸放大后的模擬差分電壓信號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，并傳輸濾波處理后的模擬差分電壓信號給所 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處理模塊采 用型號為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輸出模塊采 用型號為MAX485的芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字式傾角傳感器，包括傾角傳感器芯片、信號調(diào)理放大模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊，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)置一個信號調(diào)理放大模塊，由信號調(diào)理放大模塊對傾角傳感器芯片輸出的模擬電壓信號進(jìn)行放大和濾波處理，再將處理后的模擬電壓信號傳輸給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過信號調(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)字溫度信號傳輸給信號處理模塊進(jìn)行分析處理，為實(shí)際測量提供了溫度補(bǔ)償，能夠有效解決溫漂問題，提高測量精度。
文檔編號G01C9/02GK102032900SQ20101056786
公開日2011年4月27日 申請日期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 申請人:寧波杉工結(jié)構(gòu)監(jiān)測與控制工程中心有限公司