MEMS传感器技术数字式倾角仪的设计应用

王伟超

摘   要：MEMS传感器技术中集结各种元件设备，能够有效对电路进行控制，特别是数字式倾角仪更能够让测量的数据更加精准。文章简单对MEMS传感器技术进行介绍，并对数字式倾角仪在不同程序设计中的应用进行分析，希望该项技术能够得到更大的应用。

关键词：MEMS传感器技术;数字式倾角仪;设计应用

微机电系统在近年来的发展十分迅速，可以批量生产诸多的元件。在微型机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术的作用下，对数字式倾角仪有效进行设计，这样就会让这种技术进一步向科技领域进展。后期对这种技术需要进一步加大应用和设计，让这项技术能够更加成熟。

1    MEMS传感器技术

MEMS传感器技术主要是利用微电子技术作为支撑，采用的基地材料是单晶硅，然后采用高新的手段进行加工，对传感器实施三维加工，通过加工制作相应的微型机电系统。这项技术主要的特点有下面几种：（1）具有微型化特点，重量不会太重，不会产生太大的惯性，消耗的能量不会太多，具有较高的振动频率。（2）采用的主要原料是硅，具有良好的机械电气性能，材料的硬度以及模量在硬度以及密度上都比较接近热传导率。（3）对硅实施相应的微加工，制造更多的微型机装置，通过批量生产将成本不断降低。（4）将功能不同的传感器聚集在一起，让其形成阵列。还可以将不同功能的器件有机结合在一起，研发出具有高稳定性的MEMS技术。（5）这项技术中涉及诸多学科的交叉，并将各种科学技术集结其中，能够制造出不同的科技成果[1]。

2    下位机软件设计

单片机在角度测量系统中发挥的作用是单元进行控制，只有设计好单片机软件，才可以接收计算机命令，并对计算机中的数据进行采集，对传感器起到一定的驱动作用。做好下位机软件设计还具有一个重要的功能就是能够计算，可以对传感器中存在的电压值进行读取，并对单片机中存在的参数进行存储，计算角度量的时候可以解方程。

这种单片机的外围具有很多的模块，对模块软件进行控制可以发挥出具体软件的功能。对模块设置不同的寄存器可以获取不同的时钟信号，利用不同的模块可以对不同的精度进行转换，这种模块可以实现不同模块的通信功能。这项系统发挥的主要作用是模块具有较高的通信功能。同步的接口属于串接通道，可以根据不同的数据流让编程的速率发生较大的变化，使得外围模块能够有机连接在一起，让外部系统能够连接控制器。同步模式数据对数据具有一定的发送作用，时钟信号更是能够对串行数据进行接收。主机可以提供不同的数据 ，从机就可以在时钟的作用下让串行信息移进或者移出[2]。对不同的模式附加一些控制线，让从机数据能够实时发送，并有效接收。接收中断操作的是模块，将中断标志进行接收之后就可以将其装进接收缓存中。

对这种程序进行设计时，主要的函数内容相对来说比较精简，需要设置相应的特殊功能，让开机画面可以显示。将这些工作全面完成之后，系统会自动跳转进下一个模式，这样耗费的功率相对来说比较低，很容易出现中断。角度测量仪器主要是对网络完成测量，不同的传感器和不同的模块中具有的地址是不同的。当工作处于联机状态时，计算机将命令发出，不同的控制单元相继都会接收到信息。系统在执行命令时会对这些信息进行判断，如果信息正确就会执行命令，如果信息不正确系统会自动跳出，重复步入低功耗的状态。

主程序会对中断服务进行负责，并对系统程序中的数据进行交互。主程序会对中断服务程序中的数据进行交互，通过PC机接收到具体的数据[3]。主系统对查询标志进行判断，完成数据的采集工作。设置相应的标志，然后对串口中发送的中断程序进行发送，数据的发送采用上位机完成。

2.1  设计转换芯片接口程序

转换芯片能够对电路中的硬件进行控制，这种芯片内部构造相对来说比较简单，主要是将单机片与接口有机连接起来，降低系统复杂度。对这种转换芯片进行设计相对来说比较简单。实施通信时，主要是由主机伪造数据，再开始通信，接收伪数据，然后运用主机对数据进行发送。接收到数据之后，需要将其中断，并将另外一次的通信启动，设计程序时，一定要对工作时序进行设计。

2.2  设计单片机与液晶屏接口程序

整个程序在操作时主要是利用操作程序对命令进行发送，让数据能够充分显示出来，并将初始化的部分有机显示出来。

这种模块会使用到单片机串口，然后对其合理进行设置。利用软件对管脚以及模块进行设置，将数据通信传输不断中断。依据数据提供的大量指令操作，让基本的数据可以显示出来，让模块達到初始化的状态[4]。由于模块具有的显示功能比较丰富，可以在控制模块中输入相关指令，让汉字和数字有机显示出来。

2.3  设计计算机软件

角度测量仪不仅能脱机使用，还有通信功能，远程控制还可以绘图、测量数据。对数据进行传输时，通常会利用串行通信，这种方法的传输速度相对来说比较慢。不会占用太多的线路，花费的成本比较低，在工程通信中具有一席之地。

2.3.1  设计程序框图

函数库中具有多种函数，串口通信函数同样出自于函数库，这主要可以对单片机进行设计，并对串口做好相应的配置，让串口资源能够合理分配。当串口达到初始化状态时，就会对命令进行采集，并对数据进行发送，让系统对数据进行接收。这种程序中数据的数字量会有14位，通过单片机可以对不同的数据进行传输，将数据读取之后，还可以利用波形图显示出来。当数据完成拼接之后就会在一维数组中存储起来，对系统的时间同时进行采集，然后通过数据的合并形成二维数组，利用电子表格将数据存储起来。完成采集后，将串口关闭，利用电力表格形式将采集到的数据进行有机存储。

2.3.2  設计软件界面

软件面对的用户比较多，因此整个操作相对来说比较简洁明了，使用起来十分方便，不需要专业的软件知识作为支撑。软件界面可以对传感器进行有效控制，并对数据做好保存，对显示范围进行设定，这样就会得到曲线图形。根据用途的不同选择合理的保存选项。对传感器实施标定时，需要让传感器中输出的数据和系统的数据保持对应。对传感器的稳定性进行测定时，需要对保存时间的间隔合理选择，让传感器能够对数据进行有效采集，得到以横坐标为基础的曲线。利用传感器的控制按钮以不同的形式完成数据的采集工作，对数据可以连续采集，也可以单步采集。

3    传感器标定和系统误差分析

3.1  标定倾角传感器

在相应的角度对芯片实施相应的测量，得到输出电压关系，对电量的量化反应有效进行转换，对芯片实施相应的测量，并对角度测量仪正确选择，选择一个简单易行的方法完成标定。完成角度测量仪标定工作时，需要利用钢板尺正切系统完成标定，实施标定的时候，需要利用钢板尺对角度测量传感器进行标定。对钢板尺自由端螺丝进行有效调节，对钢板尺的倾角进行控制，利用螺丝对钢板尺的长度以及行程进行控制。

实施标定时，对螺丝分步进行旋转。让螺丝每步都能够旋转，让钢板尺能够抬起相应的角度，并对标定值进行求解。

3.2  传感器非线性补偿

3.2.1  非线性对测量范围产生的影响

正弦函数具有相应的非线性，这会对测量系统的灵敏度造成影响，测角的范围越小，灵敏度越高，非线性对角度的测量会具有一定的限制。对大角度进行测量时，需要改善系统非线性。

3.2.2  非线性对辅助量精度的影响

对微小的角度展开测量时，由于正弦函数具有一定的特性，非线性并不会得到保持。这就需要对精度进行有效匹配，并选择一个良好的测量条件，让测量精度达到标准的要求，适当降低辅助量准确度。

测量大角度时，由于正弦函数具有相应的特性，就不能忽略非线性。角度测量的精度会受到辅助量测量精度的影响。

4    结语

目前，工程中已经离不开倾角测量。MEMS传感器技术应用在倾角仪上具有一定的创新性，可以进行仿真设计。MEMS传感器技术数字倾角仪更是得到最大化应用，通过对MEMS传感器技术的认识，对具体的设计应用进行分析，希望通过后期的设计和应用，使其能够得到更加广泛的应用。

[参考文献]

[1]张海鹏，李杰，张波，等.基于椭球拟合的MEMS倾角仪现场快速标定系统[J].中国测试，2019（2）：94-98.

[2]张利文，李荣正.基于MEMS和ZigBee技术的基坑自动测斜系统设计[J].化工自动化及仪表，2017（12）：1114-1117.

[3]兰洋，李杰，张波，等.一种适用于单轴MEMS倾角仪的快速标定方法及实现[J].传感技术学报，2017（12）：63-68.

[4]高建财，杜湧，张炎飞.阵列式位移计测试技术在吸入式组合桩力学试验中的应用[J].施工技术，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