加速度传感器快速检测装置的开发

薛喜红，宋建锋，梁晓敏

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

汽车安全性能是衡量汽车品质的重要指标，实车碰撞试验是综合评价汽车安全性能最有效的方法。在试验过程中，由数据采集系统（大量的加速度传感器、数台高速摄像机以及假人系统）采集数据最终得出碰撞曲线和数据，用于评价车辆被动安全性[1]。由于该试验是破坏性试验，试验后许多加速度传感器可能发生损坏，为保证试验数据可靠，在试验前须对反复使用的传感器进行筛选，并对测试设备进行标定。目前，加速度传感器的筛选检测主要依靠手工测量，费工、费力、效率低下，研发一款可快速判断加速度传感器有效性的装置对提高工作效率具有重要意义[2]。目前汽车碰撞用加速度传感器的检测校准方法主要有以下几种：激振台扫频法、单次冲击峰值比对法、多点冲击比对法等[3]。上述方法均需要外部仪器设备辅助校准，成本较高，并且需要在动态情况下进行，而很少有仪器可以验证传感器的有效性。本文针对目前检测方法的不足，开发了无需大型仪器辅助即可静态检测加速度传感器有效性的装置。

1 特性参数选取与测量方案

1.1 加速度传感器分析

常见的加速度传感器包括：电容式、电感式、压阻式、压电式、应变式等。其中压阻式加速度传感器体积小、功耗低，适于微型化；线性度好、适于动态测量；无活动部件，适用于振动、冲击、强干扰等环境。因此，该传感器广泛应用于汽车碰撞试验、设备振动监测等领域[4]。常用的汽车碰撞试验加速度传感器有美泰MPA1064、Endevco-7264c-model、TE-model-64 等型号。

1.2 压阻式传感器的构造与工作原理

压阻效应是指当应力作用在半导体上，导致其内部晶体结构发生变化，从而电阻率变化相应阻值也随之变化的现象[5]。压阻式传感器主要由弹性梁、质量块、固定框组成。当加速度作用于悬臂梁自由端的质量块上时，电阻变化与加速度变化成正比，使电桥失去平衡，测量输出电压的变化量即可知测量的加速度值[6]，但由于电阻的变化很小，使得电阻计很难直接测量，惠斯通电桥电路可将变化的电阻值表示为电压或电流值，再进入放大电路进行测量。

1.3 静态特性参数的选取

动态特性和静态特性是传感器的基本特性。其中，动态特性指传感器工作时输入变化所表现的输出性质，如频域特性性能指标和时域单位阶跃响应特性。静态特性为传感器自身具有的性质，分为静态带电与静态不带电特性。静态带电特性是指传感器上电后输入为恒定信号，反映系统的输出与输入的关系，主要有线性度、灵敏度、迟滞性、重复性、漂移、静态电压等[7]。静态不带电特性主要有外轮廓、电阻等。

由于所研究的加速度传感器用于汽车碰撞试验，其接收信号多为高g 值的冲击信号，持续时间短，强度大，但在无冲击的情况下传感器不会产生信号输出，故优先考虑静态参数。分析其内部工作电路为惠斯通全桥电路，静态带电时，两桥臂之间的电压值固定，具有稳定的线性特性，且在传感器正常工作和失灵时数值不同，故选用桥臂之间的静态电压为测试参数。又由于该电路有对臂电阻值发生相同变化时其端电压值可能不变的特性，这时仅检测静态电压并不能准确地判断传感器的好坏。因此，增加测量所有桥臂电阻值可确保测量的可靠性[8]。仅检测静态电压和电阻，便可准确判定传感器的有效性，从而不选取灵敏度、线性度、迟滞性等性能参数作为本次检测的判定依据。

1.4 测量方案

1.4.1 静态电压值的测量

当加速度传感器处于静态带电状态时，其对应的4 个桥臂上的压敏电阻相当于4 个阻值相等的定值电阻，其B、D 两点间的电压值UBD可测并为定值，当其中某一个或几个电阻损坏或阻值不同于正常值时，UBD将会变化。基于此，先求得并设定标准静态电压值范围UBD，再使用单片机内部的ADC 电压采集模块采集实际静态电压U’BD，将二者进行比较，若实际电压值U’BD在标准范围内，则判定传感器有效，反之无效[9]。静态电压测量示意图如图1所示。

图1 静态电压测量示意图

1.4.2 静态电阻值的测量

当加速度传感器处于静态状态时，桥臂上每个电阻及每结间电阻值都为定值。基于此，方案设计为：先测量并设定结间电阻DC、DB、DA 电阻值与R1、R2、R3、R4 的标准值，再分别测量结间电阻与各电阻的实际值并与标准值进行比较，若实际值均符合标准值范围则判定该传感器有效，反之失效。本设计采用对比法，将被测电阻串联一个已知阻值的精密电阻，根据分压原理可得到被测的电阻值[10]。静态电阻测量示意图如图2所示。

图2 静态电阻测量示意图

2 系统的硬件设计

2.1 总体设计

汽车碰撞用加速度传感器的测量量程通常是500 g～2 000 g，输出电阻为2 500 Ω，本设计方案采用对比电阻分压法来采集加速度传感器的电阻值。硬件系统的逻辑为A/D 转换接口与传感器信号接口复用，将电压值转化为数字量后通过处理器运算判断是否失效，并将所得的结果显示在显示屏上，辅以蜂鸣器进行报警。通过按键切换检测方式，当静态电阻检测时4 路A/D 采集通道可以一次性检测整个内部桥路的结间状态，从而实现对传感器的快速检测。经调研选用飞思卡尔MK60-VG 系列MK60N512VMD100 型号单片机为控制核心，该单片机基于CortexM4 内核，片内含有128 kB 的ROM，4 kB 的RAM，2 路12 位的模数转换器，功耗低、可靠性高、扩展灵活，可满足系统对测试的需求[11]。硬件系统主要包括AMS1117-3.3V低压降线性稳压器、OLED 显示屏、外部电路接口、按键切换、蜂鸣器报警等，硬件系统结构如图3所示。

图3 硬件系统结构

2.2 低压降线性稳压器及滤波电路

本次设计中选用的单片机，蜂鸣器以及显示屏所需电压均为3.3 V，而电源模块供电电压为5 V，因此选取AMS1117-3.3V 低压降线性稳压器来转换电压[12]。稳压器及滤波电路如图4所示。

图4 稳压器及滤波电路

2.3 电阻信号采集模块

控制电路中将传感器与P2 相连，通过单片机控制继电器和三极管使电路导通进行测量。电压检测时需测量34，35，36 三路电阻值，单片机通过AD1，AD2，AD3 来采集电压值。电阻检测时需测量45，46，64 间的电阻值[13]。在测量过程中防止杂波对测量信号的干扰，需要加电阻电容来进行滤波，控制继电器电路如图5所示。

2.4 按键控制模块

在进行静态电阻测量时，按键可切换测量方式。设按键未工作时为高电平，单片机接受信号后对应程序控制系统进行结间电阻值测量。当按下按键时输入信号为低电平，控制系统进行每个桥臂上的电阻值测量。R2 电阻起到使按键控制所产生波形稳定输入。按键控制电路如图6所示。

图5 控制继电器电路

图6 按键控制电路

2.5 显示模块设计

显示模块设计主要显示所测静态电压的数值及显示传感器的使用状态。通过片选信号外加同步时钟控制数据进行按位传送。驱动芯片型号为SSD1306，与CPU 采用串行通信方式。显示模块设计电路如图7所示。

图7 显示模块设计电路

2.6 蜂鸣器控制电路

所测传感器损坏时，屏幕显示与蜂鸣器共同作用，使测量人员主动与被动相结合获取检测结果。蜂鸣器为3.3 V 电压供电，其中PNP 三极管起到开关与放大的作用，当单片机输出为低电平时三极管导通，报警开始[14]。输出为高时截止，报警关闭。蜂鸣器报警电路如图8所示。

3 系统的软件设计

3.1 控制器软件设计

IAR EWARM Workbench 集成开发环境支持绝大部分的微处理器软件系统的功能分析，其内部提供了多个编译器，调试界面简单方便，是测量仪器开发的优选软件。本系统软件设置采用C 语言编写MK60N512VMD100 单片机程序，运用模块化设计，整个程序主要包括主函数、时钟函数、A/D 转换函数、按键选择函数以及显示函数等。

图8 蜂鸣器报警电路

主函数的设计中，主要完成系统的初始化，数据的处理，数据存储以及显示控制。其中，初始化包括主控芯片的I/O、A/D 模块以及显示屏等。首先设定标准的结间电阻值、电压值的正常范围以及变量，然后采用IF 语句来判断按键状态以选择电压/电阻检测方式。单片机控制不同的继电器和三极管实现采集电阻值，然后将ADC 采集的数据经滤波处理后赋值给变量并存储，将各变量与标准值进行对比判断，再将测量值显示在OLED 屏幕上，若超出范围，蜂鸣器报警并显示汉字警告“器件不合格”；反之，则显示被测件良好[15]。程序流程如图9所示。

3.2 采样设计

初始化后启动A/D 模块，快速清零，选用12 位模数转换，每次只转换1 个通道，A/D 模块时钟频率为8 MHz，启用AD0-AD15，共16 个AD 通道，可同时检测3 组电阻值，主处理器MK60 接收按键指令，第1 次检测到按键的值后延迟300 ms，再次读取按键状态，若2 次均为按下，即采取电阻检测；反之，则采取电压检测。如电压检测时，检测3、4 电阻值，定义接触器K1闭合，单片机63 脚输出高电平，使三极管Q1 导通，则通过AD0 开始采集34 间的电压，经A/D 转换成电阻值，与标准值500～5 000 Ω 进行比较，观察其是否超出阈值，如未超出阈值，接通串口，输出信号，将结果显示在显示屏上。其余电阻测量原理相同，仅需调整控制参数，在此不做赘述。

3.3 显示设计

12864 显示屏通过串口与单片机通讯，最多可以控制4 行16 字的中文显示，显示中文字型时，将2 字节的编码写入RAM 中，先写高8 位，后写低8 位。接通测试设备时，显示“准备开始测试”“请您连接电阻”。采集计算后，显示对应的3 组电阻值，若计算结果为0，显示“电阻值为无穷大，检查短路虚接”；结果不为0，显示实际测量数值；若大于报警阈值5 000 Ω，则蜂鸣器响，最后一行显示对应的电阻超出范围，若未大于报警阈值，显示为空[16]。每次测量后蜂鸣器置零不响，清显示屏。

图9 程序流程

3.4 滤波设计

为了剔除干扰值与错误值，采用递推平均法对数据进行滤波。连续8 个采样值作为1 个组，组的长度固定为8，每次采样到1 个新数据放入组尾,并删除之前的组首的数据，对组中的8 个数据进行算术平均运算,便可获得采集结果。滤波流程如图10所示。

图10 滤波流程

3.5 实物测试与分析

按照硬件和软件设计做出实物，测量美泰MPA加速度传感器。在室温25 ℃的环境下，首先用万用表测量，然后外接5 V 供电电源使用该检测装置进行检测，结果显示本设计能准确测量并显示电阻值，精确度高达99.4%。实物可判断是否超出范围并报警，具有很好的现实使用价值，实物与实测结果如图11所示。

图11 实物与实测结果

4 结 语

本设计基于飞思卡尔MK60 单片机，根据传感器的静态参数特性，检测静态电压及电阻值，将测量值通过A/D 转换模块转换成数字信号，并与标准值进行比较从而判定器件的好坏，最后通过报警声与文字显示结果。其与手工测量相比更为便捷准确，在汽车碰撞试验中具有重要作用。目前，经过调试与实测证明可精确地进行加速度传感器有效性的检测，并且具有良好的稳定性，可以实现精确采集、准确显示、及时报警等功能，提高了检测效率，符合设计要求。