王偉超

摘? ?要：MEMS傳感器技術(shù)中集結(jié)各種元件設(shè)備，能夠有效對電路進行控制，特別是數(shù)字式傾角儀更能夠讓測量的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)。文章簡單對MEMS傳感器技術(shù)進行介紹，并對數(shù)字式傾角儀在不同程序設(shè)計中的應(yīng)用進行分析，希望該項技術(shù)能夠得到更大的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MEMS傳感器技術(shù);數(shù)字式傾角儀;設(shè)計應(yīng)用

微機電系統(tǒng)在近年來的發(fā)展十分迅速，可以批量生產(chǎn)諸多的元件。在微型機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術(shù)的作用下，對數(shù)字式傾角儀有效進行設(shè)計，這樣就會讓這種技術(shù)進一步向科技領(lǐng)域進展。后期對這種技術(shù)需要進一步加大應(yīng)用和設(shè)計，讓這項技術(shù)能夠更加成熟。

1? ? MEMS傳感器技術(shù)

MEMS傳感器技術(shù)主要是利用微電子技術(shù)作為支撐，采用的基地材料是單晶硅，然后采用高新的手段進行加工，對傳感器實施三維加工，通過加工制作相應(yīng)的微型機電系統(tǒng)。這項技術(shù)主要的特點有下面幾種：（1）具有微型化特點，重量不會太重，不會產(chǎn)生太大的慣性，消耗的能量不會太多，具有較高的振動頻率。（2）采用的主要原料是硅，具有良好的機械電氣性能，材料的硬度以及模量在硬度以及密度上都比較接近熱傳導(dǎo)率。（3）對硅實施相應(yīng)的微加工，制造更多的微型機裝置，通過批量生產(chǎn)將成本不斷降低。（4）將功能不同的傳感器聚集在一起，讓其形成陣列。還可以將不同功能的器件有機結(jié)合在一起，研發(fā)出具有高穩(wěn)定性的MEMS技術(shù)。（5）這項技術(shù)中涉及諸多學(xué)科的交叉，并將各種科學(xué)技術(shù)集結(jié)其中，能夠制造出不同的科技成果[1]。

2? ? 下位機軟件設(shè)計

單片機在角度測量系統(tǒng)中發(fā)揮的作用是單元進行控制，只有設(shè)計好單片機軟件，才可以接收計算機命令，并對計算機中的數(shù)據(jù)進行采集，對傳感器起到一定的驅(qū)動作用。做好下位機軟件設(shè)計還具有一個重要的功能就是能夠計算，可以對傳感器中存在的電壓值進行讀取，并對單片機中存在的參數(shù)進行存儲，計算角度量的時候可以解方程。

這種單片機的外圍具有很多的模塊，對模塊軟件進行控制可以發(fā)揮出具體軟件的功能。對模塊設(shè)置不同的寄存器可以獲取不同的時鐘信號，利用不同的模塊可以對不同的精度進行轉(zhuǎn)換，這種模塊可以實現(xiàn)不同模塊的通信功能。這項系統(tǒng)發(fā)揮的主要作用是模塊具有較高的通信功能。同步的接口屬于串接通道，可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)流讓編程的速率發(fā)生較大的變化，使得外圍模塊能夠有機連接在一起，讓外部系統(tǒng)能夠連接控制器。同步模式數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)具有一定的發(fā)送作用，時鐘信號更是能夠?qū)Υ袛?shù)據(jù)進行接收。主機可以提供不同的數(shù)據(jù) ，從機就可以在時鐘的作用下讓串行信息移進或者移出[2]。對不同的模式附加一些控制線，讓從機數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r發(fā)送，并有效接收。接收中斷操作的是模塊，將中斷標(biāo)志進行接收之后就可以將其裝進接收緩存中。

對這種程序進行設(shè)計時，主要的函數(shù)內(nèi)容相對來說比較精簡，需要設(shè)置相應(yīng)的特殊功能，讓開機畫面可以顯示。將這些工作全面完成之后，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)進下一個模式，這樣耗費的功率相對來說比較低，很容易出現(xiàn)中斷。角度測量儀器主要是對網(wǎng)絡(luò)完成測量，不同的傳感器和不同的模塊中具有的地址是不同的。當(dāng)工作處于聯(lián)機狀態(tài)時，計算機將命令發(fā)出，不同的控制單元相繼都會接收到信息。系統(tǒng)在執(zhí)行命令時會對這些信息進行判斷，如果信息正確就會執(zhí)行命令，如果信息不正確系統(tǒng)會自動跳出，重復(fù)步入低功耗的狀態(tài)。

主程序會對中斷服務(wù)進行負責(zé)，并對系統(tǒng)程序中的數(shù)據(jù)進行交互。主程序會對中斷服務(wù)程序中的數(shù)據(jù)進行交互，通過PC機接收到具體的數(shù)據(jù)[3]。主系統(tǒng)對查詢標(biāo)志進行判斷，完成數(shù)據(jù)的采集工作。設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志，然后對串口中發(fā)送的中斷程序進行發(fā)送，數(shù)據(jù)的發(fā)送采用上位機完成。

2.1? 設(shè)計轉(zhuǎn)換芯片接口程序

轉(zhuǎn)換芯片能夠?qū)﹄娐分械挠布M行控制，這種芯片內(nèi)部構(gòu)造相對來說比較簡單，主要是將單機片與接口有機連接起來，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。對這種轉(zhuǎn)換芯片進行設(shè)計相對來說比較簡單。實施通信時，主要是由主機偽造數(shù)據(jù)，再開始通信，接收偽數(shù)據(jù)，然后運用主機對數(shù)據(jù)進行發(fā)送。接收到數(shù)據(jù)之后，需要將其中斷，并將另外一次的通信啟動，設(shè)計程序時，一定要對工作時序進行設(shè)計。

2.2? 設(shè)計單片機與液晶屏接口程序

整個程序在操作時主要是利用操作程序?qū)γ钸M行發(fā)送，讓數(shù)據(jù)能夠充分顯示出來，并將初始化的部分有機顯示出來。

這種模塊會使用到單片機串口，然后對其合理進行設(shè)置。利用軟件對管腳以及模塊進行設(shè)置，將數(shù)據(jù)通信傳輸不斷中斷。依據(jù)數(shù)據(jù)提供的大量指令操作，讓基本的數(shù)據(jù)可以顯示出來，讓模塊達到初始化的狀態(tài)[4]。由于模塊具有的顯示功能比較豐富，可以在控制模塊中輸入相關(guān)指令，讓漢字和數(shù)字有機顯示出來。

2.3? 設(shè)計計算機軟件

角度測量儀不僅能脫機使用，還有通信功能，遠程控制還可以繪圖、測量數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)進行傳輸時，通常會利用串行通信，這種方法的傳輸速度相對來說比較慢。不會占用太多的線路，花費的成本比較低，在工程通信中具有一席之地。

2.3.1? 設(shè)計程序框圖

函數(shù)庫中具有多種函數(shù)，串口通信函數(shù)同樣出自于函數(shù)庫，這主要可以對單片機進行設(shè)計，并對串口做好相應(yīng)的配置，讓串口資源能夠合理分配。當(dāng)串口達到初始化狀態(tài)時，就會對命令進行采集，并對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，讓系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行接收。這種程序中數(shù)據(jù)的數(shù)字量會有14位，通過單片機可以對不同的數(shù)據(jù)進行傳輸，將數(shù)據(jù)讀取之后，還可以利用波形圖顯示出來。當(dāng)數(shù)據(jù)完成拼接之后就會在一維數(shù)組中存儲起來，對系統(tǒng)的時間同時進行采集，然后通過數(shù)據(jù)的合并形成二維數(shù)組，利用電子表格將數(shù)據(jù)存儲起來。完成采集后，將串口關(guān)閉，利用電力表格形式將采集到的數(shù)據(jù)進行有機存儲。

2.3.2? 設(shè)計軟件界面

軟件面對的用戶比較多，因此整個操作相對來說比較簡潔明了，使用起來十分方便，不需要專業(yè)的軟件知識作為支撐。軟件界面可以對傳感器進行有效控制，并對數(shù)據(jù)做好保存，對顯示范圍進行設(shè)定，這樣就會得到曲線圖形。根據(jù)用途的不同選擇合理的保存選項。對傳感器實施標(biāo)定時，需要讓傳感器中輸出的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保持對應(yīng)。對傳感器的穩(wěn)定性進行測定時，需要對保存時間的間隔合理選擇，讓傳感器能夠?qū)?shù)據(jù)進行有效采集，得到以橫坐標(biāo)為基礎(chǔ)的曲線。利用傳感器的控制按鈕以不同的形式完成數(shù)據(jù)的采集工作，對數(shù)據(jù)可以連續(xù)采集，也可以單步采集。

3? ? 傳感器標(biāo)定和系統(tǒng)誤差分析

3.1? 標(biāo)定傾角傳感器

在相應(yīng)的角度對芯片實施相應(yīng)的測量，得到輸出電壓關(guān)系，對電量的量化反應(yīng)有效進行轉(zhuǎn)換，對芯片實施相應(yīng)的測量，并對角度測量儀正確選擇，選擇一個簡單易行的方法完成標(biāo)定。完成角度測量儀標(biāo)定工作時，需要利用鋼板尺正切系統(tǒng)完成標(biāo)定，實施標(biāo)定的時候，需要利用鋼板尺對角度測量傳感器進行標(biāo)定。對鋼板尺自由端螺絲進行有效調(diào)節(jié)，對鋼板尺的傾角進行控制，利用螺絲對鋼板尺的長度以及行程進行控制。

實施標(biāo)定時，對螺絲分步進行旋轉(zhuǎn)。讓螺絲每步都能夠旋轉(zhuǎn)，讓鋼板尺能夠抬起相應(yīng)的角度，并對標(biāo)定值進行求解。

3.2? 傳感器非線性補償

3.2.1? 非線性對測量范圍產(chǎn)生的影響

正弦函數(shù)具有相應(yīng)的非線性，這會對測量系統(tǒng)的靈敏度造成影響，測角的范圍越小，靈敏度越高，非線性對角度的測量會具有一定的限制。對大角度進行測量時，需要改善系統(tǒng)非線性。

3.2.2? 非線性對輔助量精度的影響

對微小的角度展開測量時，由于正弦函數(shù)具有一定的特性，非線性并不會得到保持。這就需要對精度進行有效匹配，并選擇一個良好的測量條件，讓測量精度達到標(biāo)準(zhǔn)的要求，適當(dāng)降低輔助量準(zhǔn)確度。

測量大角度時，由于正弦函數(shù)具有相應(yīng)的特性，就不能忽略非線性。角度測量的精度會受到輔助量測量精度的影響。

4? ? 結(jié)語

目前，工程中已經(jīng)離不開傾角測量。MEMS傳感器技術(shù)應(yīng)用在傾角儀上具有一定的創(chuàng)新性，可以進行仿真設(shè)計。MEMS傳感器技術(shù)數(shù)字傾角儀更是得到最大化應(yīng)用，通過對MEMS傳感器技術(shù)的認識，對具體的設(shè)計應(yīng)用進行分析，希望通過后期的設(shè)計和應(yīng)用，使其能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。

[參考文獻]

[1]張海鵬，李杰，張波，等.基于橢球擬合的MEMS傾角儀現(xiàn)場快速標(biāo)定系統(tǒng)[J].中國測試，2019（2）：94-98.

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[3]蘭洋，李杰，張波，等.一種適用于單軸MEMS傾角儀的快速標(biāo)定方法及實現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2017（12）：63-68.

[4]高建財，杜湧，張炎飛.陣列式位移計測試技術(shù)在吸入式組合樁力學(xué)試驗中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2017（S1）：35-40.

Design and application of digital inclinometer based on mems sensor technology

Wang Weichao

（Shijiazhuang Development Zone Maiteda Microelectronics Technology Development and

Application Corporation， Shijiazhuang 050000， China）

Abstract：In the technology of Micro-Electro-Mechanical Systems sensor， various components and devices are assembled to control the circuit effectively. Especially the digital inclinometer can make the measured data more accurate. This paper briefly introduces the technology of the Micro-Electro-Mechanical Systems sensor， and analyses the application of the digital inclinometer in different program designs， hoping that this technology can be brought into full play.

Key words：Micro-Electro-Mechanical Systems sensor technology; digital inclinometer; design and application