基于MEMS加速度计的记录仪毕业设计论文.docx

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基于MEMS加速度计的记录仪毕业设计论文

毕业设计说明书

基于MEMS加速度计的记录仪

摘要

加速度记录仪以Freescale高集成度三轴加速度传感器MMA8453Q为传感器，以TI公司低功耗处理MSP430F1611为控制核心，以Flash存储器K9F1G为存储设备。

本系统实现了对三维加速度信号的动态采集，并将加速度信号以文件的形式存储在存储卡中,便于上位机的读取和进一步分析。

本文阐述的内容有以下几个方面:

1）分析了加速度的测试环境，介绍了MEMS加速度计的记录仪的功能要求和性能指标，对系统进行总体设计。

2）在总体方案的基础上对加速度传感器、控制器、存储器进行选型。

3）对系统硬件电路进行设计，包括信号的采集与存储以及异步串行通信接口等几个部分的设计与实现。

4）硬件电路设计与制作好后，需要对其进行编程，以控制主控器对数据的采集和存储的操作。

关键词：

MEMS加速度计，MSP430微处理器，Flash，异步串行通信

RecorderBasedonMEMSaccelerometer

Abstract

AccelerationrecorderbyFreescaleHighlyintegratedofthree-axisaccelerationsensorMMA8453Qsensor，withlowpowerconsumptionTIcompanyMSP430F1611asthecontrolcore,withFlashmemoryK9F1Gforstoragedevices.Thissystemrealizesthe3Daccelerationdynamicsignalacquisition,andtheaccelerationsignalintheformoffilesstoredinthememorycard,easytoreadandfurtheranalysisofPC.

Thispaperdescribesthecontentsofthefollowingaspects:

1）Analysisoftheaccelerationtestenvironment,anddescribesthefunctionalrequirementsandperformanceindicatorsoftheMEMSaccelerometerlogger,theoveralldesignofthesystem.

2）Accelerationsensors,controllers,memoryselectiononthebasisoftheoverallprogram.

3）Systemhardwarecircuitdesign,includingthedesignandimplementationoftheseveralpartsofthesignalacquisitionandstorageaswellasasynchronousserialcommunicationinterface.

4）Hardwarecircuitdesignandproductionneedtobeprogrammedtocontroltheoperationofthemasterdatacollectionandstorage.

Keywords:

MEMSaccelerationsensor,MSP430microprocessor,Flash,asynchronousserialcommunication

1绪论

1.1本课题的来源、目的及意义

随着工业自动化水平的不断发展，产品质量监测、控制手段已经成为保证产品质量标准不可缺少的环节。

许多对装配有较高要求的产品，在运输过程中也同样对受到的冲击有极限要求。

受到超过极限的冲击将给产品带来伤害，给人们带来不必要的损失。

为了监测运输过程，目前通常的做法是随产品一起安装冲击记录仪[1]。

MEMS技术的迅速发展，特别是MEMS加速度计和单片机技术的迅猛提高，电子智能型冲击记录仪也应运而生。

MEMS加速度计是一种十分重要的力学敏感传感器，其研究与开发始于80年代初，是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。

微加速度传感器可通过其加工技术、控制系统类型、敏感机理来分类[2]。

压阻式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，将输入转换为弹性结构的形变，从而引起制作在弹性结构上的压敏电阻阻值的变化，再通过外界电路将电阻的变化转换为电压或电流的变化[3]。

电容式微机械加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量块的相对位移转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的微小变化转换为与其成正比的电压的变化[3]。

热对流式微加速度传感器是利用敏感体内气流的加速运动来检测加速度，通过一定的方法将加速度转换为检测电路的输出电压，不需要检测质量块，有很强的抗冲击能力，结构紧凑，加工方便，精度高（达到0.6mg），对小加速度敏感性很高[4]。

隧道式微加速度传感器利用电子势垒隧道效应，把输入的加速度转换为质量块的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化，最后用检测电路测出这个电流变化量而获得相应的加速度的大小[3]。

谐振式加速度传感器是通过检测谐振元件固有频率的变化获得加速度。

其独特优点在于：

（1）输出的是谐振频率信号，可与数字电路及计算机直接接口，省去A/D转化，处理电路；

（2）频率信号有很高的抗干扰能力和稳定性，且在传输过程中不易产生失真误差，功耗低；（3）灵敏度高，精度高，稳定性和可靠性好。

所以谐振式加速度传感器已经成为微加速度传感器发展的新趋势[5]。

1.2加速度计及加速度记录仪的国内外发展状况

1.2.1MEMS加速度计的原理及应用

1）MEMS加速度计

MEMS（MicroElectroMechanicalSystem）是一项有着广泛应用前景的应用基础技术。

利用MEMS技术可以使电子设备中元器件实现微型化、低功耗以及便携性等技术要求。

MEMS利用表层蚀刻技术,可实现宏观意义上的机械三维结构，使元器件生产小型化成为可能。

MEMS器件主要以硅晶体为加工材料，可以类似半导体器件的生产方法，以相对较低成本批量生产。

MEMS器件在当今汽车应用电子（如防撞安全气囊感应和发动机各种压力传感器）以及计算机外设（如喷墨打印机的喷墨头、计算机硬盘驱动器磁头）等方面得到广泛应用[6]。

MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）加速度计就是使用MEMS技术制造的加速度计。

由于采用了微机电系统技术，使得其尺寸大小缩小，一个MEMS加速度计只有指甲盖的几分之一大小。

MEMS加速度计具有体积小、重量轻、能耗低等优点。

2）MEMS加速度计的应用

通过测量由于重力引起的加速度，可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。

通过分析动态加速度，可以分析出设备移动的方式。

目前最新IBMThinkpad手提电脑里就内置了MEMS加速度计，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。

目前先进的移动硬盘上也使用了这项技术。

另外一个用处就是目前的数码相机和摄像机里，用MEMS加速度计来检测拍摄时候手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚集。

MEMS加速度计还可以用来分析发动机的振动。

汽车防撞气囊的启动也可以由MEMS加速度计控制。

由此可见，MEMS加速度计可以在生活中发挥重要作用。

归纳其应用主要有以下几个方面：

振动检测、姿态控制、安防报警、消费应用、动作识别、状态记录等。

1.2.2加速度记录仪国内外发展状况

80年代以来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，以CPU为核心的新型控制仪表被越来越广泛地应用于化工、炼油、冶金、制药、造纸、建材等行业，但与之配套的记录仪仍停留在传统的机械式，它有纸、有笔、有墨承、有大量的机械传动，具有日常维护工作量大，运行费用高，可靠性差，应用不够灵活，历史信息再处理再利用难度大等缺点与现代化控制手段相当不协调。

进入90年代以后，我国成功研制开发生产出了全智能无纸记录仪，它以微处理器（CPU）为核心，以大容量存储芯片（SRAM）为存储载体，采用液晶屏（LCD）为显示界面，具有实时单通道、棒圈、实时趋势、单通道实时趋势、历史趋势等信息丰富的显示画面，以及时间与通道页面与记录间隔，各通道信息、通信信息等灵活方便的组态功能，同时还配备了同微机通讯的标准通讯接口及中文WINDOWS界面上的上位机管理软件，彻底解决了机械式记录仪在使用中存在的问题[7]。

在无纸记录仪不断地走向市场过程中，根据用户的需求，又增加了许多新的功能：

流量累计、流量温压补偿、PID控制、撮普触点任意组态、工程单位显示、通讯地址组态、配电、显示画面组态、峰值保持功能以及报警追忆显示画面和通道数据显示画面。

在1992年前后，国外不少公司推出了无纸记录仪，其中较有代表性的有德国哈特曼劳恩公司（H＆B）的DatavisA无纸记录仪和英国Panny＆GilesTeletrend公司的无纸记录仪。

Teletrend公司的无纸记录仪，具有l44×144mm标准尺寸，带有与PC完全兼容的3.5英寸磁盘驱动器，便于把表内数据通过磁盘转存或保存，它能存储一天至640天的工作数据（与记录间隔有关），具有四个通道棒状图、数字显示和中程趋势曲线显示功能，通过软件组态选择记录仪的工作方式。

它的最大特点是采用彩色示波管作为显示器，因而具有彩色显示功能[8]。

H＆B公司DatavisA无纸记录仪，采用72×144mm小型机壳，用分辨率为92×200的单色液晶图形屏作为显示器，允许四个通遭标准信号输入，也具有棒状图显示、数字显示和历史趋势显示三大功能。

在德文、英文或法文提示下，完成组态及正常操作，具有标准的通信接口[9]。

智能记录仪作为微处理机技术、超大容量存贮器和图形液晶显示技术相结合的新一代记录仪．它具有非常明显的特点：

可靠性高，无需日常维护，功能多样性，性能价格比高。

智能记录仪具有众多优点，已经引起广大用户极大注意，可以预测，在不久的将来，它将被广大用户所接受[10]。

1.3本课题完成的工作及研究内容

以Freescale高集成度三轴加速度传感器MMA8453Q为传感器，以TI公司低功耗处理MSP430F1611为控制核心，以Flash型存储器K9F1G为大容量存储设备的低功耗加速度信号记录仪的软硬件设计方案，实现了对三维加速度信号的动态采集，并将加速度信号以文件的形式存储在存储卡中,便于上位机的读取和进一步分析。

本文阐述的内容有以下几个方面:

1）分析了加速度的测试环境，介绍了MEMS加速度计的记录仪的功能要求和性能指标，对系统进行总体设计。

2）在总体方案的基础上对加速度传感器、控制器、存储器进行选型。

3）对系统硬件电路进行设计，包括信号的采集与存储以及异步串行通信接口等几个部分的设计与实现。

4）硬件电路设计与制作好后，需要对其进行编程，以控制主控器对数据的采集和存储的操作。

2基于MEMS加速度计的记录仪的总体设计方案

完整的测试系统是将信息采集、存储以及信息读取等功能完整的结合在一起的有机整体。

设计一个完整的系统，首先要有总体的设计思路，要明确被测对象的特点，然后再根据测试对象的具体功能要求，设计