加速度傳感器在汽車防盜系統中的應用研究!
現代汽車的防盜系統通常采用對車體的沖擊、振動監測的方式防盜預警,常用的器件多為磁效應傳感器。雖然磁效應加速度傳感器的敏感性能很好,但由于磁傳感器存在裝配、安裝誤差,其頻率響應不穩定,會造成后續信號處理電路和微控制器接口電路比較復雜,致使系統報警的可靠性降低,誤報率較高。另外,拖車或整車搬運的方法也是目前竊賦盜竊汽車常用的手段,對付這種盜竊方式最有效的方法是對車體的傾斜角度進行監測,而磁效應傳感器無法測量靜態加速度,不能對車體的傾斜角度進行測量,也就無法對這種盜竊方式進行監測預警。總之,利用磁效應傳感器不能很好地完成防盜監測的任務,這就需要一種更合理、更可靠的傳感器件來替代。
ADXL202是AD公司設計生產采用MEMs工藝制作的低價格、低功耗、單芯片集成雙軸加速度傳感器,3～5.25V單電源供電,工作電流小于6mA,可以測量O～5kHz、±2g范圍內動態或靜態加速度,60Hz時分辨率為2mg,可以數字、模擬信號形式輸出,體積僅為5mm×5mm×2mm;可以對車體微小振動和整車的傾斜角度同時進行監測。將其應用于汽車防盜系統不但擴大了系統的監測范圍,而且簡化了系統,提高了防盜系統報管的可靠性。因此,選定其作為汽車防盜系統的傳感器件。
1 加速度傳感器ADXL202的工作機理
1．1 利用ADXL202進行加速度測量的基本原理
ADXL202的模塊結構如圖l所示,它是在單一芯片上集成兩個相互獨立、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊,是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器;由硅片表面的彈性結構支撐起的質量塊下面貼附電容的一個極板,電容的另一極扳固定。當加速度引起質量塊的相對位置變化時,電容值也發生變化;兩個敏感元的信號處理電路將各自的電容變化轉換成幅值與加速度成正比的方波信號,經工作周期調制(DCM)后,就能將模擬信號轉換為數字信號,通過引腳XOUTYOUT進行輸出。另外,ADXL202還可以通過XFILT、YFILT引腳輸出模擬信號。
1．2 ADXL202引腳功能簡介
ADXL202的封裝形式為LCC-8,其封裝和引腳的示意圖如圖2所示。
引腳ST用于芯片自測,VDD上電后,ST在靜電力的作用下,輸出的工作循環脈寬改變10％左右,相當于作用800mg加速度的輸出信號,測試這個引腳就可以用于判斷芯片是否正常工作;引腳T2需外接RSET電阻,在0．5ms～10ms范圍內設置工作循環周期T2;引腳COM作為公共接地端;引腳XOUT、YOUT用于輸出數字信號;引腳XFILT、YFILT外加濾波電容,用以設置檢測信號的帶寬范圍,VDD引腳作為芯片供電電源輸入端。
1．3 加速度值的確定
加速度傳感器可以分別利用XOUT、YOUT引腳和XFILT、YFILT引腳進行數字信號或模擬信號輸出。
在采用數字信號進行測量時,只要利用微處理器的計數器/定時器端口分別采集信號的工作周期脈寬T1和工作周期的時間長度T2,利用公式(1)就可以得出被測加速度的值。計算公式為：
信號示意圖如圖3所示。
在采用模擬信號進行測量時,可以直接采用從XFILT、YFILT引腳輸出的模擬信號,也可以將XOUT、YOUT引腳輸出的數字信號進行RC濾波,重新恢復成模擬信號。第一種方法輸出的信號帶寬比較寬,但需外加電壓跟隨器才能帶負載;第二種方法可以對輸出的模擬信號進行放大,但頻率響應特性較低。采用何種輸出方式應根據具體的使用條件來確定。
2 采用ADXL202的汽車防盜系統設計方案
由于竊賊盜竊汽車時會引起車俸的振動或傾斜現象,而ADXL202能夠測量0～5kHz、±2g范圍內動態或靜態加速度。動態加速度的測量可以用于振動檢測;而利用靜態的重力加速度作為輸入矢量,就可以確定物體的空間方向。
2．1整體方案設計
ADXL202采用3V直流電源供電,為降低電源對傳感器的干擾,在引腳VDD和公共接地端COM之間需連接O．1μF的去耦電容。由于芯片與微處理器共用一個供電電源,在電源與VDD間需增加一個100Ω的電阻,以減小數字信號對傳感器輸出信號的干擾。
T2引腳外接625kΩ的RSET電阻,將輸出的數字信號周期確定為5ms,即頻率為200Hz。從XOUT、YOUT引腳輸出的數字信號直接送到微處理器的計數器,定時器端口,以便進行重力加速度的測量,以得出車體傾角的變化。從XEILT、YFILT引腳輸出的模擬信號經電壓跟隨器提高負載能力后,送入微處理器的A/D端口,以對車體微小振動進行測量。
汽車防盜中,車體傾斜角度的測量要求其信號的噪聲必須很小,這就要限制信號帶寬。而對于振動的測量,則需要10～200Hz的較寬信號范圍。首先,將XFILY、YFILT引腳的濾波電容CX、CY設定為0．027μF,這樣輸出的數字、模擬信號的帶寬全都限制在200Hz以下,再將ADXl202輸出的帶寬為200Hz的數字和模擬信號分別經過低通濾波和高通濾波,就可以獲得傾斜、振動監測所需帶寬的信號。將ADXL202同時作為振動測量和傾角測量傳感器的方案原理圖如圖4所示。
2．2 傾斜角度的測量
對于拖車或整車搬運的盜竊方式,如果車體的角度相對于初始狀態改變5°,就可判定有盜車情況發生。
傾斜角度測量值通過XOUT、YOUT端口輸出的數字信號得到。由于經XFILT、YFILT端口的電容低通濾波,信號帶寬為200Hz．則根據ADXl202的噪聲計算公式為：
其中,Noise為噪聲的幾何平均值,BW為信號帶寬,f(Hz)為頻率。則其噪聲平均水平為：
如果ADXl202的敏感軸從水平位置變化了5°,就相當于ADXL202輸出的數字信號改變約87mg,這樣14．4mg的噪聲水平就顯得過高了。因為期望的噪聲水平最多不能超過信號的十分之一,即8．7mg。將XOUT、YOUT端口輸出的200Hz數字信號進行16次采樣,并將采得的信號取平均值,就可以實現數字低通濾波,將信號的帶寬降為12．5Hz。此時的噪聲水平為：
這種噪聲水平完全可以滿足系統要求。
ADXl202的溫度變化系數為2mg／℃,在監測的0°～5°傾角范圍內,每改變1°,輸出約改變17mg。由于室外晝夜溫差很可能達到8．5℃,溫度漂移很可能造成虛假報警,必須對其限制。可以利用軟件微分器進行信號處理,即如果ADXL202的輸出變化率大于87mg/min,就認為有警情;如果小于這個數值,就可以認為是由于溫度變化引起的溫度漂移,不予報警。
2．3 汽車微小振動的測量
通過對車體微小振動的測量,可以實現對破壞車體行為的監測。若在一個較短時間段內,振動的能量超過設定的閾值,就可以判定有破壞汽車的情況發生。
監測汽車微小振動所需信號由XFILT、YFILT端口獲得。雖然在XFILT、YFITL端口輸出的模擬信號已經過200Hz低通濾波,但仍需將信號再經10Hz高通濾波,才能達到振動監測所需的10~200Hz帶寬要求。另外,從XFILT、YFILT端口輸出的模擬信號負載能力很弱,可以將帶通濾波后的信號送入電壓跟隨器,以提高其負載能力,然后,將信號送人微處理器內部的A/D端口進行模,數轉換。根據采樣定理(Nyquist Criteria),徽處理器采樣頻率定為400Hz,即每2．5ms采樣一次。
利用軟件積分器測量振動的能量,是將微處理器記錄的16次振幅采樣值的絕對值求和,即可得到40ms內振動的能量。如果這個絕對值之和超過設定的數字閾值,微處理器就可以進行報警。
利用加速度傳感器ADXL202組成的防盜監測裝置,不但擁有傳統汽車防盜傳感器件的靈敏性,而且擴大了汽車防盜的監測范圍(可以對拖車和整車搬運的盜竊方式進行預警),而且還簡化了系統的電路結構,提高了系統可靠性。ADXL202完全可以取代磁效應傳感器等傳統敏感元件。成為汽車防盜監測信號的可靠敏感器件。另外,ADXL202在計算機外圍設備、信息產品、運動監測等方面也有著廣泛的應用。
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