基于A(yíng)T89S52的MEMS陀螺信號采集與處理系統設計

3 測試結果
完成硬件平臺搭建和軟件程序設計后，室溫下對系統進(jìn)行靜態(tài)測量，通過(guò)改變溫度，分析角度的漂移；在小型旋轉平面上進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，分析線(xiàn)性加速度的變化，針對過(guò)大的漂移率現象，進(jìn)行自校準，再測量。
靜態(tài)測試，在室溫下，由液晶屏顯示輸出溫度為
+21.36 ℃，輸出角度有不超過(guò)0.02°/s的漂移率。當把陀螺儀溫度提高到50 ℃時(shí)，顯示溫度為+50.07 ℃，陀螺角度出現單向漂移現象，輸出角度大約為0.72°/min漂移率。經(jīng)過(guò)軟件自校準后，角度漂移較穩定變化，單漂移現象消除。
動(dòng)態(tài)測試，對三軸加速度計的測試采用重力場(chǎng)1 gn試驗方法[8]，安裝方法如圖5所示，將加速度計通過(guò)卡具安裝在位置轉臺上，使加速度計的輸入軸在鉛垂平面內相對重力加速度轉動(dòng)。

使位置轉臺在360°范圍內旋轉，由圖5可知，敏感軸上的加速度分量為[9]：
a=gn·sinθ (1)
式中a為敏感軸上的加速度；θ為加速度計敏感軸與水平方向間的夾角。由式(1)可知，當位置轉臺轉動(dòng)時(shí)，加速度計敏感軸上的重力加速度分量呈正弦關(guān)系變化，加速度計的輸出也呈正弦關(guān)系變化。在知道敏感軸與水平方向的夾角后，就可以計算出加速度計所感應到的加速度大小[8]。
測試采取十二位置測試方法，即每間隔30°測量一次，首先需要確定機械零點(diǎn)，即試驗前要確保初始狀態(tài)的敏感軸與水平方向間夾角為0°，確定機械零位一般采用四點(diǎn)法[9]，測量當地重力加速度gn（如長(cháng)春重力加速度為9.801 m/s2）,由公式(1)可以計算出十二位置點(diǎn)的重力加速度分量值，選取部分測試點(diǎn)與本系統顯示的加速度值對比，分析絕對誤差如表1所示。

由表1知，在常溫下測量的ADIS16355加速度計 系統顯示的值與理論值絕對誤差在轉臺限定的誤差范圍之內，并且滿(mǎn)足ADIS16355線(xiàn)性加速度精度誤差為2.522 mg/LSB(約為0.024 7 m/s2)的要求，加上溫度補償可以進(jìn)一步提高測量精度。
本數據采集系統主要存在以下誤差：一方面是由陀螺儀自身出廠(chǎng)工藝缺陷、結構、工作模式等形成的各種漂移；另一方面是由重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、檢測電路干擾、系統安裝不平衡引起的陀螺輸出偏差。對于以上誤差中確定性誤差可以采用標定測試、自檢校準和溫度補償來(lái)減小，對于不確定性誤差采用統計方法統計變化規律和有效系統辨識方法來(lái)處理。
ADIS16355 iSensor是一款完整的三軸陀螺儀與三軸加速計慣性檢測系統。本文以AT89S52單片機為核心控制器件，只需要很少的外圍電路，采用KeilC51軟件編寫(xiě)程序，實(shí)時(shí)存儲采集的數據并經(jīng)LCD顯示，通過(guò)靜態(tài)溫度和角度測試及重力加速度試驗測試表明，該系統具有較高的精度和實(shí)時(shí)性。最后對系統存在的誤差進(jìn)行分析。本文設計的MEMS數據采集系統具有精度高、成本低、操作簡(jiǎn)單、使用方便，在陀螺儀的實(shí)際應用中存在較大的市場(chǎng)價(jià)值。
參考文獻
[1] 陳國華，王剛. 基于ADIS16255 MEMS芯片陀螺儀的應用研究[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2008,16(4)：480-483.
[2] 李朝青．單片機原理與接口技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003．
[3] 8-bit microcontroller with 8 K Bytes in-system programmable Flash.AT89S52 datasheet. Micro- controllers.2008，[2011- 01-06].http://www.atmel. com/dyn/resources/prod_documents/doc1919.pdf.
[4] 陳寶毅.MEMS慣性器件的數據采集與誤差分析技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.
[5] Programmable low power gyroscope，ADISl6355 datasheet. ANALOG DEVICES.2007，[2011-01-06].http://www.analog.com/pr/ADIS16355.
[6] 王模袁濤，譚濤.基于MEMS陀螺儀的微慣性測量系統的實(shí)現[J].微機電(MEMS)技術(shù)應用，2008，24(9)：152-153.
[7] 陳小忠，黃寧，趙小俠．單片機接口技術(shù)實(shí)用子程序[M]．北京：人民郵電出版社，2005．
[8] 李振波，李疆，劉北英.基于單片機的數字微加速度計靜態(tài)測試平臺設計[J].傳感器與微系統，2008，28(2)：88-90.
[9] 董景新．微慣性?xún)x表-微機械加速度計[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003：227-265.