【正文】 清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書基于MEMS加速度計的記錄儀摘 要加速度記錄儀以Freescale高集成度三軸加速度傳感器MMA8453Q為傳感器，以TI公司低功耗處理MSP430F1611為控制核心，以Flash存儲器K9F1G為存儲設(shè)備。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對三維加速度信號的動態(tài)采集，并將加速度信號以文件的形式存儲在存儲卡中, 便于上位機的讀取和進一步分析。本文闡述的內(nèi)容有以下幾個方面:1）分析了加速度的測試環(huán)境，介紹了MEMS加速度計的記錄儀的功能要求和性能指標(biāo)，對系統(tǒng)進行總體設(shè)計。2）在總體方案的基礎(chǔ)上對加速度傳感器、控制器、存儲器進行選型。3）對系統(tǒng)硬件電路進行設(shè)計，包括信號的采集與存儲以及異步串行通信接口等幾個部分的設(shè)計與實現(xiàn)。 4）硬件電路設(shè)計與制作好后，需要對其進行編程，以控制主控器對數(shù)據(jù)的采集和存儲的操作。關(guān)鍵詞：MEMS加速度計，MSP430微處理器，F(xiàn)lash，異步串行通信Recorder Based on MEMS accelerometer AbstractAcceleration recorder by Freescale Highly integrated of threeaxis acceleration sensor MMA8453Q sensor， with low power consumption TI pany MSP430F1611 as the control core, with Flash memory K9F1G for storage devices. This system realizes the 3D acceleration dynamic signal acquisition, and the acceleration signal in the form of files stored in the memory card, easy to read and further analysis of PC.This paper describes the contents of the following aspects:1) Analysis of the acceleration test environment, and describes the functional requirements and performance indicators of the MEMS accelerometer logger, the overall design of the system.2) Acceleration sensors, controllers, memory selection on the basis of the overall program.3) System hardware circuit design, including the design and implementation of the several parts of the signal acquisition and storage as well as asynchronous serial munication interface.4) Hardware circuit design and production need to be programmed to control the operation of the master data collection and storage.Key words: MEMS acceleration sensor, MSP430 microprocessor, Flash, asynchronous serial munication目 錄1 緒論 1 本課題的來源、目的及意義 1 加速度計及加速度記錄儀的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 MEMS加速度計的原理及應(yīng)用 2 加速度記錄儀國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 本課題完成的工作及研究內(nèi)容 42 基于MEMS加速度計的記錄儀的總體設(shè)計方案 5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 系統(tǒng)芯片原理介紹 53 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn) 17 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 加速度信號的采集 17 I2C總線介紹 18 電源管理模塊 19 復(fù)位電路 20 外圍晶振選擇 21 存儲模塊 22 異步串行通信模塊的設(shè)計 22 異步串行通信介紹 22 通信接口電路 23 電路圖 244 系統(tǒng)軟件設(shè)計與調(diào)試問題分析 25 應(yīng)用開發(fā)軟件概述 25 軟件設(shè)計 25 單片機的程序設(shè)計 265 總結(jié) 37附錄A 加速度記錄儀原理圖 38附錄B 加速度記錄儀PCB圖 39參考文獻(xiàn) 40致謝 41第 II 頁 共 Ⅱ 頁清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 緒論 本課題的來源、目的及意義隨著工業(yè)自動化水平的不斷發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測、控制手段已經(jīng)成為保證產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不可缺少的環(huán)節(jié)。許多對裝配有較高要求的產(chǎn)品，在運輸過程中也同樣對受到的沖擊有極限要求。受到超過極限的沖擊將給產(chǎn)品帶來傷害，給人們帶來不必要的損失。為了監(jiān)測運輸過程，目前通常的做法是隨產(chǎn)品一起安裝沖擊記錄儀[1]。MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是MEMS加速度計和單片機技術(shù)的迅猛提高，電子智能型沖擊記錄儀也應(yīng)運而生。MEMS加速度計是一種十分重要的力學(xué)敏感傳感器，其研究與開發(fā)始于80年代初，是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的微機械傳感器。微加速度傳感器可通過其加工技術(shù)、控制系統(tǒng)類型、敏感機理來分類[2]。壓阻式微加速度傳感器是通過可動質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，將輸入轉(zhuǎn)換為彈性結(jié)構(gòu)的形變，從而引起制作在彈性結(jié)構(gòu)上的壓敏電阻阻值的變化，再通過外界電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化[3]。電容式微機械加速度傳感器是通過可動質(zhì)量塊感應(yīng)加速度，利用平行板電容將質(zhì)量塊的相對位移轉(zhuǎn)換為電容的變化，再通過檢測電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓的變化[3]。熱對流式微加速度傳感器是利用敏感體內(nèi)氣流的加速運動來檢測加速度，通過一定的方法將加速度轉(zhuǎn)換為檢測電路的輸出電壓，不需要檢測質(zhì)量塊，有很強的抗沖擊能力，結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，精度高（），對小加速度敏感性很高[4]。隧道式微加速度傳感器利用電子勢壘隧道效應(yīng)，把輸入的加速度轉(zhuǎn)換為質(zhì)量塊的相對位移，再通過隧道效應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)換為隧道電流的變化，最后用檢測電路測出這個電流變化量而獲得相應(yīng)的加速度的大小[3]。諧振式加速度傳感器是通過檢測諧振元件固有頻率的變化獲得加速度。其獨特優(yōu)點在于：（1）輸出的是諧振頻率信號，可與數(shù)字電路及計算機直接接口，省去A/D轉(zhuǎn)化，處理電路；（2）頻率信號有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，且在傳輸過程中不易產(chǎn)生失真誤差，功耗低；（3）靈敏度高，精度高，穩(wěn)定性和可靠性好。所以諧振式加速度傳感器已經(jīng)成為微加速度傳感器發(fā)展的新趨勢[5]。 加速度計及加速度記錄儀的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r MEMS加速度計的原理及應(yīng)用1）MEMS加速度計MEMS(Micro Electro Mechanical System) 是一項有著廣泛應(yīng)用前景的應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)。利用MEMS技術(shù)可以使電子設(shè)備中元器件實現(xiàn)微型化、低功耗以及便攜性等技術(shù)要求。MEMS利用表層蝕刻技術(shù),可實現(xiàn)宏觀意義上的機械三維結(jié)構(gòu)，使元器件生產(chǎn)小型化成為可能。MEMS器件主要以硅晶體為加工材料，可以類似半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)方法，以相對較低成本批量生產(chǎn)。MEMS器件在當(dāng)今汽車應(yīng)用電子（如防撞安全氣囊感應(yīng)和發(fā)動機各種壓力傳感器）以及計算機外設(shè)（如噴墨打印機的噴墨頭、計算機硬盤驅(qū)動器磁頭）等方面得到廣泛應(yīng)用[6]。MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）加速度計就是使用MEMS技術(shù)制造的加速度計。由于采用了微機電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大小縮小，一個MEMS加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點。2）MEMS加速度計的應(yīng)用通過測量由于重力引起的加速度，可以計算出設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態(tài)加速度，可以分析出設(shè)備移動的方式。目前最新IBM Thinkpad 手提電腦里就內(nèi)置了MEMS加速度計，能夠動態(tài)的監(jiān)測出筆記本在使用中的振動，并根據(jù)這些振動數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數(shù)據(jù)。目前先進的移動硬盤上也使用了這項技術(shù)。另外一個用處就是目前的數(shù)碼相機和攝像機里，用MEMS加速度計來檢測拍攝時候手部的振動，并根據(jù)這些振動，自動調(diào)節(jié)相機的聚集。MEMS加速度計還可以用來分析發(fā)動機的振動。汽車防撞氣囊的啟動也可以由MEMS加速度計控制。由此可見，MEMS加速度計可以在生活中發(fā)揮重要作用。歸納其應(yīng)用主要有以下幾個方面：振動檢測、姿態(tài)控制、安防報警、消費應(yīng)用、動作識別、狀態(tài)記錄等。 加速度記錄儀國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r80年代以來，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以CPU為核心的新型控制儀表被越來越廣泛地應(yīng)用于化工、煉油、冶金、制藥、造紙、建材等行業(yè)，但與之配套的記錄儀仍停留在傳統(tǒng)的機械式，它有紙、有筆、有墨承、有大量的機械傳動，具有日常維護工作量大，運行費用高，可靠性差，應(yīng)用不夠靈活，歷史信息再處理再利用難度大等缺點與現(xiàn)代化控制手段相當(dāng)不協(xié)調(diào)。進入90年代以后，我國成功研制開發(fā)生產(chǎn)出了全智能無紙記錄儀，它以微處理器(CPU)為核心，以大容量存儲芯片(SRAM)為存儲載體，采用液晶屏(LCD)為顯示界面，具有實時單通道、棒圈、實時趨勢、單通道實時趨勢、歷史趨勢等信息豐富的顯示畫面，以及時間與通道頁面與記錄間隔，各通道信息、通信信息等靈活方便的組態(tài)功能，同時還配備了同微機通訊的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口及中文WINDOWS界面上的上位機管理軟件，徹底解決了機械式記錄儀在使用中存在的問題[7]。在無紙記錄儀不斷地走向市場過程中，根據(jù)用戶的需求，又增加了許多新的功能：流量累計、流量溫壓補償、PID控制、撮普觸點任意組態(tài)、工程單位顯示、通訊地址組態(tài)、配電、顯示畫面組態(tài)、峰值保持功能以及報警追憶顯示畫面和通