摘要:微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electromechanic System, MEMS）是二十世紀(jì)末、二十一世紀(jì)初興起的工程科學(xué)前沿，它涉及多學(xué)科的交叉如：物理學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，以及材料、機(jī)械、電子、信息等工程技術(shù)學(xué)科，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在軍民兩用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

測斜傳感器最初的應(yīng)用是在定向鉆井技術(shù)方面。定向鉆井技術(shù)是石油勘探開采過程中的重要技術(shù)，它在巖石鉆孔、隧道鉆進(jìn)、水下布局、建筑等領(lǐng)域同時都得到了廣泛的應(yīng)用。它的工作參數(shù)主要包括鉆井過程中各點(diǎn)的傾斜角、方位角和工具面角，利用測斜傳感器可以對這三個參數(shù)進(jìn)行測量。隨著石油工程技術(shù)的發(fā)展，井下測井工具集成的傳感器越來越多，小型化微型化的測斜傳感器在狹小的井下空間將具有更強(qiáng)的應(yīng)用。

在傳統(tǒng)測斜技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需求，本次課題利用MEMS傳感器進(jìn)行了測斜傳感器的開發(fā)。本設(shè)計的測斜傳感器屬于一種三自由度的定位裝置，它由加速度傳感器、磁阻式磁強(qiáng)傳感器、LCD顯示器和51單片機(jī)組成。論文詳細(xì)介紹采用三軸正交加速度傳感器測量地球重力矢量定傾斜角和三軸正交磁強(qiáng)傳感器測量地磁場矢量定方位角的測斜原理，推導(dǎo)出了傾斜角、方位角以及工具面角的數(shù)學(xué)模型，并闡述了加速度傳感器、磁強(qiáng)傳感器的工作原理及測斜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成了測斜傳感器的軟硬件設(shè)計。測斜傳感器內(nèi)置了單片機(jī)STC89C52RD對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲和傳輸并具備良好的人機(jī)交互界面。設(shè)計的測斜傳感器在902E-1 型雙軸電動旋轉(zhuǎn)平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果能滿足基本要求。

關(guān)鍵詞：MEMS 測斜傳感器 加速度傳感器 磁場傳感器 51單片機(jī)

目錄

摘要

ABSTRACT

第一章 緒論-1

1.1課題背景-1

1.2測斜傳感器的研究進(jìn)展-2

1.3主要研究內(nèi)容-3

第二章 基于MEMS的測斜傳感器的工作原理-5

2.1 測斜傳感器的定義和模型-5

2.1.1 測斜傳感器的定義-5

2.1.2 測斜傳感器的數(shù)學(xué)模型-6

2.2 傾斜角的測量原理-7

2.3 地磁方位角的測量原理-8

2.4 工具面角的測量原理-9

第三章 硬件電路的設(shè)計-10

3.1 硬件系統(tǒng)總體方案-10

3.2 硬件電路分塊設(shè)計-10

3.2.1 CPU模塊-11

3.2.2 加速度傳感器AXL345-13

3.2.3 磁場傳感器HMC5883-16

3.2.4液晶顯示器FM12864-19

3.2.5按鍵電路-20

3.2.6其他設(shè)計-20

第四章 軟件設(shè)計-22

4.1 FM12864驅(qū)動-22

4.2 AXL345驅(qū)動-23

4.3 HMC5883驅(qū)動-24

4.4 主程序-25

4.5 數(shù)據(jù)儲存子程序-26

4.6數(shù)據(jù)處理子程序-26

4.7按鍵與菜單子程序-27

第五章 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析-28

5.1液晶模塊調(diào)試-28

5.2 加速度傳感器調(diào)試-28

5.3 磁場傳感器調(diào)試-29

5.4 綜合調(diào)試及誤差分析-30

第六章 結(jié)論-33

致謝-34

參考文獻(xiàn)-35

附錄-36