【導讀】直接把貴重物品的傾覆情況反映到您的手機屏幕上。去的幾年中成為最成功,應用最廣泛的微機電系統(tǒng)器件之一。作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈。敏軸之間的夾角就是傾斜角了。GTM900-C借用無線發(fā)送和接收、基帶處理等功能，來實現無線數據傳輸和短信收發(fā)任務。了防傾覆檢測并報警的硬件系統(tǒng)變有形的傳統(tǒng)防傾覆網為無形，給貴重物品傾覆時的及時發(fā)現提供方便。本系統(tǒng)具有制作簡單、成本低、安裝方便、防傾覆性能穩(wěn)定。等特點實現對貴重物品傾覆的及時監(jiān)督，檢測功能。

　　

【正文】 用最廣泛的微機電系統(tǒng)器件之一，而微加速度計 (microaccelerometer)就是慣性傳感器件的杰出代表。作為最成熟的慣性傳感器應用，現在的MEMS 加速度計有非常高的集成度，即傳感系統(tǒng)與接口線路集成在一個芯片上。 傾角傳感器把 MCU， MEMS加速度計，模數轉換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面?？梢灾苯虞敵鼋嵌鹊葍A斜數據，讓人們更方便的使用它。 其特點是： 硅微 機械傳感器測量 (MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準面為參考，基準面可被再次校準。數據方式輸出，接口形式包括 RS23 RS485 和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強。 [8] 承受沖擊振動 10000G 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 47 “固體擺”式慣性器件 固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服系統(tǒng)，如圖 1 所示，其由擺錘、擺線、支架組成， 擺錘受重力 G 和擺拉力 T 的作用，其合外力 F 為：(1) 其中，θ為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內測量時，可以認為 F 與θ成線性關系。如應變式傾角傳感器就基于此原理。 液體擺”式慣性器件 液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有導電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖 2 所示。當殼體水平時，電極插入導電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個電阻 RI和 RIII。若液體擺 水平時，則 RI=RIII。當玻璃殼體傾斜時，電極間的導電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖 3 所示，左邊電極浸入深度小，則導電液減少，導電的離子數減少，電阻 RI增大，相對極則導電液增加，導電的離子數增加，而使電阻 RIII 減少，即 RIRIII。反之，若傾斜方向相反，則 RIRIII。 在液體擺的應用中也有根據液體位置變化引起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實用中除此類型外，還有在電解質溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時氣泡會運動使電容發(fā)生變化 而沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 48 感應出傾角的 “ 液體擺 ” 。 “氣體擺”式慣性器件 氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同固體擺和液體擺也具有的敏感質量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛垂方向上，因此也具有擺的特性?！?氣體擺 ” 式慣性元件由密閉腔體、氣體和熱線組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到加速度的作用時，熱線的阻值發(fā)生變化，并且熱線阻值的變化是角度 q 或加速度的函數，因而也具有擺的效應。其中熱線阻值的變化是氣體與熱線之間的能量交換引起的。 “ 氣體擺 ” 式慣性器件的敏感機理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線，熱線是 唯一的熱源。當裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換中對流是主要形式。 對流傳熱的方程為：（ 2） 其中： h— 熱量傳遞系數（ w/m2k ）， s— 熱線表面積 (m2)， TH— 熱線溫度（ K）， TA— 氣體溫度（ K）。 熱量傳遞系數 h 與流體的熱傳導率、動力學粘度、流體速度和熱線直徑有關，表示為：（ 3） 其中： Nu為 — 努塞爾（ Nusselt）數， l— 熱傳導率（ W/mK）， Re—雷諾（ Reynold）數， U— 流體速度（ m2/s） ,D— 熱線的直徑（ m） ,n— 流體的動力學粘度。 當氣流以速度 U 垂直穿過熱線時，（ 4） 將（ 4）式 代入（ 3）式得：（ 5） 根據熱平衡方程可得： 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 49 所以：（ 6） 假設和 s 為常數，則有：（ 7） 從式（ 7）可以看出，當流體的動力學粘度、密度和熱傳導特性一定時，若熱線周圍流體的速度不同，則流過熱線的電流也不同，從而引起熱線兩端的電壓也產生相應的變化。氣體擺式慣性器件就是根據一原理研制的。 氣體擺式檢測器件的核心敏感元件為熱線。電流流過熱線，熱線產生熱量，使熱線保持一定的溫度。熱線的溫度高于它周圍氣體的溫度，動能增加，所以氣體向上流動。在平衡狀態(tài)時，如圖 4(a)所示，熱線處于同一水平面上，上升氣流穿過它們的速度相同 ，即 V1=V1′ ，這時，氣流對熱線的影響相同，由式（ 7）可知，流過熱線的電流也相同，電橋平衡。當密閉腔體傾斜時，熱線相對水平面的高度發(fā)生了變化，如圖 4(b)所示，因為密閉腔體中氣體的流動是連續(xù)的，所以熱氣流在向上運動的過程中，依次經過下部和上部的熱線。若忽略氣體上升過程中克服重力的能量損失，則穿過上部熱線的氣流已經與下部熱線的產生熱交換，使穿過兩根熱線時的氣流速度不同，這時 V2162。V2，因此流過兩根熱線的電流也會發(fā)生相應的變化，所以電橋失去平衡，輸出一個電信號。傾斜角度不同，輸出的電信號也不同。 固、液、氣體擺性能比較 就基于固體擺、液體擺及氣體擺原理研制的傾角傳感器而言，它們各有所長。在重力場中，固體擺的敏感質量是擺錘質量，液體擺的敏感質量是電解液，而氣體擺的敏感質量是氣體。 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 50 氣體是密封腔體內的唯一運動體，它的質量較小，在大沖擊或高過載時產生的慣性力也很小，所以具有較強的抗振動或沖擊能力。但氣體運動控制較為復雜，影響其運動的因素較多，其精度無法達到軍用武器系統(tǒng)的要求。 固體擺傾角傳感器有明確的擺長和擺心，其機理基本上與加速度傳感器相同。在實用中產品類型較多如電磁擺式，其產品測量范圍、精度及抗過載能力較高，在武器系統(tǒng)中應用也較為廣泛。 液體擺傾角傳感器介于兩者之間，但系統(tǒng)穩(wěn)定，在高精度系統(tǒng)中，應用較為廣泛，且國內外產品多為此類。 典型應用場合 角度測量，水平調整，零位調整 傾角開關（十二路開關信號）， 安全控制，監(jiān)控，報警 機械臂，大壩，建筑，橋梁角度測量 對準控制，彎曲控制。 初始位置控制，傾角姿態(tài)記錄儀 汽車四輪定位 傾角傳感器應用特點 可以調節(jié)輸出頻率，內置零位調整，可以根據要求定制零位調整按鈕，從而實現在一定的角度置零的功能。這對于要測量相對傾角的場合非常有用。使 用完畢后可以重新回歸零位。 傾角傳感器 在這種場合使用，只要將傳感器固定在一定的平面，測量前使用零位按鈕實現清零功能，沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 51 傳感器在此之后讀出來的數據就是相對于該平面的 圖 61 雙軸傾角傳感器 相對傾角。 濾波功能： 當要求輸出比較穩(wěn)定時，建議使用比較平緩的輸出，以使輸出的值趨向平和，而變化不至于太劇烈。如果要求非常及時的輸出，比如在測量有較高頻率的振動的場合，可以使用高頻輸出，不過，輸出會因為響應時間非常短而不穩(wěn)定。同時，可以使用內部濾波功能，以實現在振動場合測量傾角的目標。 全量程傾角測量： 通過雙軸的配合，可以實現 360度傾角的測量。目前產品已經非常穩(wěn)定。在一些需要進行全量程傾角測量的場合， 選擇 360度產品是比較理想的。 第七章 總體設計 系統(tǒng)的目標任務包括： ①主控器對 GTM900C模塊具有實時控制性； 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 52 ②確保 GTM900C工作的穩(wěn)定性； ③要求系統(tǒng)的抗干擾性和短信報警功能齊全； ④用戶可以對短信報警器進行實時管理； ⑤報警統(tǒng)具有靈活性、系降低產品成本。 根據系統(tǒng)的目標任務以及總體設計方案，系統(tǒng)有主控機、傾角傳感器、 鐵電存儲器 ，實時時鐘構成。各個部分重要功能如下： （ 1）控制主機，主控機核心為 AT89C51 單片機，主孔機負責接受傳感器 的報警信號向繼電器和蜂鳴器發(fā)出動作控制命令。主控機和 GTM900C、 Modem 之間通過 USB 或者 RS232 串口進行雙向通信，接受來自 TM900C 的控制信息，根據車主的控制命令進行系統(tǒng)設置，當接到傳感器的報警信號后主控機要控制 GTM900C撥打設定的電話號碼或發(fā)送短信息。 （ 2） GTM900C、 Modem（手機），主要負責向主控機傳送控制信息、向主控機指定的電話號碼發(fā)送報警信息。 （ 3） 鐵電存儲器 ， 采用了能夠保證掉電數據不丟失的鐵電存儲器 。 （ 4）實時時鐘， DS12887 采用 CMOS 技術制成，把時鐘芯 片所需的晶振和外部鋰電池相關電路集于芯片內部 （ 5）本設計采用固體傳感器 本系統(tǒng)的工作原理是： 當傾角傳感器靜止時也就是側面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 53 垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了 當貴重物品發(fā)生傾覆時，由于物品本身的異常運動情況被加速度傳感器所監(jiān)測到，通過系統(tǒng)設定的分析、處理，系統(tǒng) CPU 控制 GTM900C 模塊發(fā)出短信報警。 本設計貴重物品 GTM900C 報警系統(tǒng)的實現情況：首先，利用加速度傳感器檢測物品的是否存在異常移動、異常振動、異常振動、異常提升 和物品異常切斜等等情況。其次，控制單元根據算法模型分析、報確認上述異常情況的發(fā)生。最后， GTM模塊收到確認的異常情況信號信息，便向預先設置的用戶發(fā)送警信息。 功能模塊圖 圖 71 功能模塊圖 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 54 圖 72 主程序流程圖 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 55 第八章 技術經濟分析 隨著人們生活水平的日益提高，貴重物品防傾覆問題已經引起人們的警覺，傳統(tǒng)的防傾覆系統(tǒng)非常復雜而且要把設備拆卸下來也很麻煩，因此影響到了物品的便攜性。本系統(tǒng)具有制作簡單、成本低、安裝方便、防傾覆性能穩(wěn)定等特點 實現 對貴重物品 傾覆的及時監(jiān)督，檢測功能。 近年來， 防傾覆系統(tǒng) 正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉型的 發(fā)展 階段。 傳感器正向著 微型化、 高精度 、 高可靠性 、 低功耗 、智能化、數字化 發(fā)展。這不僅促進了傳統(tǒng)產業(yè)的改造，而且可導致建立新型 工業(yè) ，是 21世紀新的經濟增長點。 向微型化發(fā)展： 各種控制儀器設備的功能越來越大，要求各個部件體積能占位置越小越好，因而 防傾覆 傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經很小。如傳統(tǒng) 防傾覆 傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種 微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好 向智能化數字化發(fā)展： 隨著現代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如 0～ 10mV），而是經過微電腦處理好后的數字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 56 字傳感器。智能傳感器 具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結合的產物。一般智能機器人的感覺系統(tǒng)由多個傳感器集合而成，采集的信息需要計算機進行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從 而降低成本。 智能傳感器必須具備通信功能 ， 最起碼，除了滿足最基本應用的反饋信號， ‘ 智能 ’ 傳感器必須能傳輸其它信息。智能傳感器擁有很多優(yōu)勢。隨著嵌入式計算功能的成本繼續(xù)減少， “ 智能 ” 器件將被更多地應用。獨立的內部診斷功能可避免代價高昂的宕機，從而迅速收回投資 世界 防傾覆系統(tǒng) 市場正在穩(wěn)步發(fā)展中，新的應用領域也在不斷的增長。 防傾覆系統(tǒng) 領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國競相加速新一代 防傾覆 傳感器的開發(fā)和產業(yè)化，競爭更加激烈。中國的防傾覆系統(tǒng) 產業(yè)起步較晚，經過多年發(fā)展逐步到自主研發(fā)和生產制造產業(yè)化，整個 行業(yè)已初具規(guī)模，并且進入到了快速發(fā)展階段。 相信在不久的未來貴重物品防傾覆技術會走向屬于他自己的巔峰！ 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 57 第九章 結 論 沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 58 經過我的努力已經全部完成了 畢業(yè)設計任務 書中的要求，在 本次畢業(yè)設計 中 ， 讓 我增強了理論與時間結合的能力，設計過程中遇到各種問題在指導老師的幫助下得以解決，鍛煉了我的意志，更使我增強了信心。通過本系統(tǒng)可以將貴重物品的防傾覆問題得到根本的解決， 本系統(tǒng)具有制作簡單、成本低、安裝方便、防傾覆性能穩(wěn)定等特點 實現 對貴重物品傾覆的及時監(jiān)督，檢測功 能。 論文以基于 GTM900C的防傾覆短信報警系統(tǒng)設計為模型，通過對當前防傾覆系統(tǒng)發(fā)展的分析，從單片機的選型、無線模塊的確定、通訊模塊的選擇、鍵盤、顯示器、閃存、計時器、數模轉換模塊以及傳感器的選用來確定系統(tǒng)硬件配置方案； 近年來， 防傾覆系統(tǒng) 正處于傳統(tǒng)型向新型傳感器轉型的 發(fā)展 階