【導讀】本文在此介紹了一種基于ADXL50單片集成加速度傳感器的加速度測量方法，用于檢測導彈在車載行軍過程中受到的振動沖擊。
設計方案
設計方案如圖1所示：包括傳感器及外圍電路、信號處理裝置、顯示報警電路等3部分。傳感器及外圍電路封裝于小型屏蔽容器內，固定于導彈載行車上，ADXL50加速度傳感器采集振動加速度信號，并輸出相應的電壓信號；信號處理部分接收到傳感器采集來的模擬電壓信號，對其進行模／數轉換，將加速度的值顯示于LED上，然后進行數據判斷與處理，當超過安全范圍時給出報警，提醒司機注意駕駛。
圖1：加速度檢測方案設計圖
傳感器及外圍電路的設計
方案擬采用美國AD公司生產的ADXL50加速度計作為加速度傳感器。該器件集成在單片集成電路上，采用差動電容作為敏感元件，直接輸出電壓信號，便于信號的采集與處理。
ADXL50的主要技術指標
測量靈敏度為19mV／g；滿刻度測量范圍為±50g；頻率響應范圍為DC～1 kHz；在開關信號控制下可進行自檢；內置緩沖放大器，可用于輸出靈敏度及零加速度輸出電平調節。
ADXL50工作原理和基本測量電路
ADXL50是一個完整的加速度測量系統，它將一個傳感器部件和完成加速度測量有關的電路，包括振蕩器、解調器、前置放大器、緩沖放大器、參考電源及溫度補償電路等。全部集成在一片硅晶片上。芯片封裝于10腳T0100管殼內，這10腳的定義如圖2所示。
圖2：ADXL50加速度傳感器引腳說明
圖3為加速度傳感器的原理框圖。其中使用了3個外接電容和3個外接電阻。C1用以決定測量系統的帶寬，C1和C2的容量一般選用O～0．2 2μF，C2一般為0．1μF即可。ADXL50在出廠前，廠家已將其前置放大器的測量靈敏度調整為19 mV／g，其Og時的輸出電壓VPR為1．8 V。因此，若加速度為±50g，則VPR=1．8V±O．95V，若加速度為±20g，則VPR=1．8 V±O．38V。由于在VPR上的信號不標準，不適于讀取進行顯示或進行數字化處理。另外，ADXL50前置放大器的注入電流最大只能有25μA，驅動能力很小，因此，VPR上的信號要做進一步處理，才能滿足要求。一般外接幾個電阻與緩沖放大器構成一個放大環節，以調整傳感器的VPR的Og電位，并提高輸出信號的靈敏度。
圖3：加速度傳感器原理圖
經緩沖放大后的加速度信號，其變化范圍最好處于0．5～4．5V之間，使之距電源的高低兩端都有一定的余量。若加速度正、負兩方向的變化幅度相近，就可將Og電位調在2．5V左右。這樣，正、負加速度信號在傳感器輸出口Vout上就有±2V的變化范圍。設待測加速度的范圍為±50g，則VPR=1．8 V±O，95 V，欲使Vout=2．5V±2．OV，就需將信號中的交流分量放大。緩沖放大器的放大系數為-R3／R1，所以，若取R1=50kΩ，即可確定R3=105 kΩ。
在圖3中，R2的一端接地，為使0g時Vout=2．5V，R2應滿足條件：R2=(1．8×R3)／(Vout-1．8)=270 kΩ。
ADXL50在使用時應注意的事項
(1)ADXL50有一個靈敏軸，其方向是從第5腳指向第10腳(即指向管殼定位片)，如圖2所示。傳感器測量的就是沿此軸的加速度。設此軸為x軸，又設在傳感器管殼底部平面內與x軸垂直的方向為y軸。若加速度g的方向與傳感器底部xy平面之間的夾角為α，則加速度g在xy平面上的分量為gxy=gcosα。又設加速度分量gxy與傳感器靈敏軸之間的夾腳為β，則gxy在靈敏軸上的分量為gx=gxycosβ=gcosαcosβ。因此，在安裝加速度傳感器時，要盡量使其靈敏軸與加速度的方向一致，否則就得對測量結果做必要的修改，以免造成過大的誤差。
(2)ADXL50要安裝在電路板上使用。在電路板的共振頻率與待測加速度的頻率相近時，若電路板稍有松動，就會產生共振，使測量結果偏大，造成誤差。因此，在安裝電路板時，要選擇合適的位置，固定牢靠。在對系統進行試驗時，最好在不同的頻率下測試，以便發現可能的共振問題。
(3)解調器濾波電容C1的作用：決定ADXL50的帶寬；對解調器信號進行濾波。
信號處理裝置
ADC0809
ADC0809是一種由單一+5 V電源供電，采用逐次逼近轉換原理，能夠對8路O～+5 V輸入模擬電壓進行分時轉換的通用型可編程A／D轉換器。ADC0809模／數轉換器的工作時鐘具有寬廣的適用頻率范圍。該模／數轉換器適用的最高有效工作時鐘頻率約為3MHz，最小模／數轉換的周期可達24μs，所以其采樣頻率最高達到41 kHz。而導彈載行車在行軍和起豎過程中振動頻率一般不超過200 Hz，根據采樣定理，完全可以滿足測量需要。
單片機及其編程
方案擬采用MCS51系列單片機，它可以直接與ADC0809模／數轉換器相接。3個加速度傳感器采集3個方向的振動信號(左右方向、上下方向、前后方向)，經ADC0809轉換器的3個輸入端轉換成數字信號，然后由單片機采集。單片機主程序首先開辟3個內存區，每個內存區為10個字節單位，分別用于存儲3個輸入端的采集數據，然后依次循環讀取ADC0809的3個輸入端(INO，INl，IN2)的轉換結果，顯示在LED顯示屏上，同時與預先設定的固定數據進行比較：如果處在合格范圍內，則繼續依次循環讀取下一個輸入端的數據，并且存儲每個輸入端最近10次的值；如果讀取的某一個輸入端數據超出合格范圍，則先將本數據存儲，然后繼續讀取該輸入端數據N(N<9)次，每次讀數據后及時存儲，讀完N次后求該輸入端所存儲的10次數據的平均值，如果仍然超出合格范圍，則迅速報警，即通過驅動電路使喇叭嗚叫、警示燈閃亮。通過這種對數據求平均方法，可以濾除一些奇異值等隨機干擾。
結語
通過對導彈載行車載彈運輸過程的分析，提出了利用單片集成式加速度傳感器ADXL50和單片機電路來測量振動加速度的一套方案。主要介紹ADXL50單片集成加速度傳感器、單片機測試系統的組成。并采用平滑濾波的方法濾除一些隨機干擾。該方案電路簡潔，設計的可靠冗余性較高，對于測試車載系統加速度有較好的借鑒作用。
