加速度传感器ADXL50在导弹行军中的应用

0 引言
    在导弹车载行军过程中，车上的导弹会受到各种振动的冲击影响，这种振动冲击如果过大则会造成导弹的损伤或损坏。在此介绍了一种基于ADXL50单片集成加速度传感器的加速度测量方法，用于检测导弹在车载行军过程中受到的振动冲击。单片集成加速度传感器ADXL50体积小、方向性好、精度高、时漂与温漂小；在+5V单电源下工作，使用方便，所需外围元器件少；可靠性很高，在通电时可以承受500g的加速度冲击，不加电时可以承受2000g的加速度冲击而不致损坏。因此可以应用于导弹运输车。

1 设计方案
    设计方案如图1所示：包括传感器及外围电路、信号处理装置、显示报警电路等3部分。传感器及外围电路封装于小型屏蔽容器内，固定于导弹载行车上，ADXL50加速度传感器采集振动加速度信号，并输出相应的电压信号；信号处理部分接收到传感器采集来的模拟电压信号，对其进行模／数转换，将加速度的值显示于LED上，然后进行数据判断与处理，当超过安全范围时给出报警，提醒司机注意驾驶。

2 传感器及外围电路的设计
    方案拟采用美国AD公司生产的ADXL50加速度计作为加速度传感器。该器件集成在单片集成电路上，采用差动电容作为敏感元件，直接输出电压信号，便于信号的采集与处理。
2．1 ADXL50的主要技术指标
    测量灵敏度为19mV／g；满刻度测量范围为±50g；频率响应范围为DC～1 kHz；在开关信号控制下可进行自检；内置缓冲放大器，可用于输出灵敏度及零加速度输出电平调节。
2．2 ADXL50工作原理和基本测量电路
    ADXL50是一个完整的加速度测量系统，它将一个传感器部件和完成加速度测量有关的电路，包括振荡器、解调器、前置放大器、缓冲放大器、参考电源及温度补偿电路等。全部集成在一片硅晶片上。芯片封装于10脚T0100管壳内，这10脚的定义如图2所示。

    图3为加速度传感器的原理框图。其中使用了3个外接电容和3个外接电阻。C1用以决定测量系统的带宽，C1和C2的容量一般选用O～0．2 2μF，C2一般为0．1μF即可。ADXL50在出厂前，厂家已将其前置放大器的测量灵敏度调整为19 mV／g，其Og时的输出电压VPR为1．8 V。因此，若加速度为±50g，则VPR=1．8V±O．95V，若加速度为±20g，则VPR=1．8 V±O．38V。由于在VPR上的信号不标准，不适于读取进行
显示或进行数字化处理。另外，ADXL50前置放大器的注入电流最大只能有25μA，驱动能力很小，因此，VPR上的信号要做进一步处理，才能满足要求。一般外接几个电阻与缓冲放大器构成一个放大环节，以调整传感器的VPR的Og电位，并提高输出信号的灵敏度。
    经缓冲放大后的加速度信号，其变化范围最好处于0．5～4．5V之间，使之距电源的高低两端都有一定的余量。若加速度正、负两方向的变化幅度相近，就可将Og电位调在2．5V左右。这样，正、负加速度信号在传感器输出口Vout上就有±2V的变化范围。设待测加速度的范围为±50g，则VPR=1．8 V±O，95 V，欲使Vout=2．5V±2．OV，就需将信号中的交流分量放大。缓冲放大器的放大系数为-R3／R1，所以，若取R1=50kΩ，即可确定R3=105 kΩ。
    在图3中，R2的一端接地，为使0g时Vout=2．5V，R2应满足条件：R2=(1．8×R3)／(Vout-1．8)=270 kΩ。
2．3 ADXL50在使用时应注意的事项
    (1)ADXL50有一个灵敏轴，其方向是从第5脚指向第10脚(即指向管壳定位片)，如图2所示。传感器测量的就是沿此轴的加速度。设此轴为x轴，又设在传感器管壳底部平面内与x轴垂直的方向为y轴。若加速度g的方向与传感器底部xy平面之间的夹角为α，则加速度g在xy平面上的分量为gxy=gcosα。又设加速度分量gxy与传感器灵敏轴之间的夹脚为β，则gxy在灵敏轴上的分量为gx=gxycosβ=gcosαcosβ。因此，在安装加速度传感器时，要尽量使其灵敏轴与加速度的方向一致，否则就得对测量结果做必要的修改，以免造成过大的误差。
    (2)ADXL50要安装在电路板上使用。在电路板的共振频率与待测加速度的频率相近时，若电路板稍有松动，就会产生共振，使测量结果偏大，造成误差。因此，在安装电路板时，要选择合适的位置，固定牢靠。在对系统进行试验时，最好在不同的频率下测试，以便发现可能的共振问题。
    (3)解调器滤波电容C1的作用：决定ADXL50的带宽；对解调器信号进行滤波。

3 信号处理装置
3．1 ADC0809
    ADC0809是一种由单一+5 V电源供电，采用逐次逼近转换原理，能够对8路O～+5 V输入模拟电压进行分时转换的通用型可编程A／D转换器。ADC0809模／数转换器的工作时钟具有宽广的适用频率范围。该模／数转换器适用的最高有效工作时钟频率约为3MHz，最小模／数转换的周期可达24μs，所以其采样频率最高达到41 kHz。而导弹载行车在行军和起竖过程中振动频率一般不超过200 Hz，根据采样定理，完全可以满足测量需要。
3．2 单片机及其编程
    方案拟采用MCS51系列单片机，它可以直接与ADC0809模／数转换器相接。3个加速度传感器采集3个方向的振动信号(左右方向、上下方向、前后方向)，经ADC0809转换器的3个输入端转换成数字信号，然后由单片机采集。单片机主程序首先开辟3个内存区，每个内存区为10个字节单位，分别用于存储3个输入端的采集数据，然后依次循环读取ADC0809的3个输入端(INO，INl，IN2)的转换结果，显示在LED显示屏上，同时与预先设定的固定数据进行比较：如果处在合格范围内，则继续依次循环读取下一个输入端的数据，并且存储每个输入端最近10次的值；如果读取的某一个输入端数据超出合格范围，则先将本数据存储，然后继续读取该输入端数据N(N<9)次，每次读数据后及时存储，读完N次后求该输入端所存储的10次数据的平均值，如果仍然超出合格范围，则迅速报警，即通过驱动电路使喇叭呜叫、警示灯闪亮。通过这种对数据求平均方法，可以滤除一些奇异值等随机干扰。

4 结语
    通过对导弹载行车载弹运输过程的分析，提出了利用单片集成式加速度传感器ADXL50和单片机电路来测量振动加速度的一套方案。主要介绍ADXL50单片集成加速度传感器、单片机测试系统的组成。并采用平滑滤波的方法滤除一些随机干扰。该方案电路简洁，设计的可靠冗余性较高，对于测试车载系统加速度有较好的借鉴作用。