【正文】 ...................................................................................................................................... 26 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .................................................................................................................................................................27 本章小結(jié) .................................................................................................................................................................45 5 結(jié)論與展望 ................................................................................................................................................................... 46 致 謝 ................................................................................................................................................................................... 47 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................................................ 48 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) I 摘要 在電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，加速 度傳感器扮演的角色也越來越重要。加速度傳感器在航天領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域，以及人們的日常生活中都有著廣泛的應(yīng)用。 三軸加速度傳感器是加速度傳感器的一種，它可以測量三個(gè)坐標(biāo)軸的加速度，從而準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動狀態(tài)，確定物體的空間位置。 本課題主要的內(nèi)容是用三軸加速度傳感器結(jié)合單片機(jī)設(shè)計(jì)出基于人體位置變化的三軸位置傳感器模塊，并實(shí)現(xiàn)該模塊。傳感器使用的是 ADI 公司的 ADXL345,它小而薄、超低功耗，并且具有多個(gè)功能。使用 8051 單片機(jī)作為主控芯片，能夠比較容易的實(shí)現(xiàn)該模塊，完成預(yù)期目標(biāo)。 本課題的重點(diǎn)，一方面是對空間上 各軸的加速度準(zhǔn)確的采集，其次是設(shè)計(jì)出合理的算法，根據(jù)采集到的加速度信息計(jì)算出人體運(yùn)動狀態(tài)下位置的變化。 根據(jù)本文提出的方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的模塊，能夠?qū)崟r(shí)的采集到加速度信息，并且準(zhǔn)確計(jì)算出人體距離初始狀態(tài)的位置變化，正確的顯示出來。 關(guān)鍵詞：三軸加速度傳感器； ADXL345； 8051 單片機(jī) 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) II ABSTRACT In the electronic technology is highly developed today, the acceleration sensor is playing an increasingly important role. Automobile acceleration sensor in the field of aerospace, areas, and people39。s daily life have a wide range of applications. Three axis acceleration transducer is a kind of acceleration sensor, it can measure three coordinate axis acceleration, so as to accurately reflect the state of motion object, determine the position of an object in space. The main content is to use three axis accelerometer with MCU design three shaft position sensor module based on the change of body position, and the realization of the module. The sensor is used ADI pany’s ADXL345, which is small and thin, and low power consumption, and has a plurality of functions. Using 8051 microcontroller as the main control chip, can the module easier, achieved the expected target. The focus of this topic, on the one hand on the space axis acceleration accurate acquisition, the second is to design a reasonable algorithm, calculate the change of human body motion position according to the acceleration information acquisition to. According to the scheme proposed in this paper, the design and implementation of the module, realtime acquisition to the acceleration information, and accurately calculate the position changes of the human body from the initial state, displayed correctly. Keywords:Three axis acceleration sensor。ADXL345。 8051 single chip microputer 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 引言 當(dāng)今 時(shí)代 由于電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 傳感器在日常生活中 的 應(yīng)用也越來越 多 。本課題所使用的三軸加速度傳感器具有體積小，重量輕的特點(diǎn)，可以測量空間加速度，能夠完全準(zhǔn)確反映物體的運(yùn)動性質(zhì)，在控制，儀器儀表等領(lǐng)域，以及其他的電子設(shè)備，例如智能手機(jī)，筆記本電腦 ，數(shù)碼相機(jī) 等方面都有著最廣泛的應(yīng)用。 本課題設(shè)計(jì)的三軸位置傳感器主要是對人體位置變化的測量，要完成該傳感器模塊，首先得掌握 ADXL345 傳感器以及 8051 單片機(jī)的工作原理，它們的性能。其次用 protel 軟件設(shè)計(jì)出整個(gè)模塊的原理圖 ， 并制作出相應(yīng)的 PCB 板。最后調(diào)試電路，根據(jù)電路的連接，在單片機(jī)上使用 Keil Software 公司開發(fā)的 Keil uvision 軟件，編寫程序采集出各軸的加速度，并設(shè)計(jì)出合理的算法，計(jì)算出人體在空間上的位置變化 。 本論文詳細(xì)論述了基于人體位置狀態(tài)變化的三軸加速度傳感器模塊的設(shè)計(jì)。第一章介紹了傳感器技術(shù) ，并對三軸加速度傳感器的性能予以分析，以及傳感器今后的發(fā)展 。 第二章 根據(jù)實(shí)際需求 設(shè)計(jì)出解決方案 ， 在實(shí)現(xiàn)解決方案的過程之中會碰到哪些關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn) 。第三章 根據(jù)第二章提出的解決方案，對三軸位置傳感器進(jìn)行了詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì) ， 包括電路原理圖的 繪制 ， 根據(jù)需求選擇元器件，在原理圖的基礎(chǔ)上對實(shí)際電路連接、調(diào)試。 第四章 是根據(jù)實(shí)際的電路連接情況，對本課題的傳感器模塊 軟件 設(shè)計(jì)， 使用 I2C 總線技術(shù)讀取加速度信息，并根據(jù)實(shí)際情況對加速度信息予以校正，最后設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)乃惴?，?jì)算出人體運(yùn)動狀態(tài)下位置的變化。第五章是對整個(gè)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足之處予以總結(jié)，并對課題的實(shí)際意義予以展望。 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 1 緒 論 傳感器技術(shù) 什么是傳感器 傳感器 的英文翻譯為 Transducer 和 Sensor 。 Transduce 的定義為它是一種裝置，可以將能量從 一個(gè)域變換到另一個(gè)域。而 Sensor 定義為這種裝置用來感知被 檢測系統(tǒng)的參數(shù)，他能把特定的被檢測信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種便于處理、易于傳輸?shù)男畔ⅰＫ詡鞲衅骺啥x為：能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量對象并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接響應(yīng)被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路組成，如圖 11 所示。 圖 11 傳感器的組成 傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)多學(xué)科與技術(shù)，包括物理學(xué)科中的各個(gè)門類以及各個(gè)學(xué)科門類。由于現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展迅速，敏感元件與傳感器產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期越來越短，使得一些 新型傳感器具有原理新穎、機(jī)理復(fù)雜、技術(shù)綜合等鮮明的特點(diǎn)，因此，需要不斷的更新生產(chǎn)技術(shù)，配備相關(guān)的生成設(shè)備，同時(shí)需要配備多方面的高技術(shù)人才協(xié)同攻關(guān)。 傳感器要求具有高的穩(wěn)定性、高的可靠性、高的重復(fù)性、低的遲滯和快的響應(yīng)，做到準(zhǔn)確可靠、經(jīng)久耐用 ，對于處于工業(yè)現(xiàn)場和自然環(huán)境下的傳感器，還要求具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠耐高溫，耐低溫，抗干擾，耐腐蝕，安全防爆，便于安裝，調(diào)試和維修。 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。無論是農(nóng)業(yè)、工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)，還有能源、氣象、環(huán)保和建材業(yè)；無論是高新技術(shù)領(lǐng)域，還是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)；無論是大型成 套設(shè)備，還是日常生活用品和家用電器，都需要采用大量的敏感元件和傳感器。例如，一座大型鋼鐵廠需要 20 000 臺套傳感器和檢測儀表；大型石油化工廠需要 6 000 臺套傳感器和檢測儀表；大型發(fā)電機(jī)組需要 3 000 臺套傳感器和檢測儀表等。 相對于信息技術(shù)領(lǐng)域的其他技術(shù)（特別是信息處理技術(shù)），傳感器技術(shù)發(fā)展緩 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 慢，；但一旦成熟，其生命力強(qiáng)，不會輕易的退出競爭舞臺，可長期應(yīng)用，維持發(fā)展的能非常強(qiáng)。像應(yīng)變式傳感器技術(shù)已有 70 多年的歷史，硅壓阻式傳感器也有 40多年的歷史目前仍然在傳感器技術(shù)領(lǐng)域占有重要的地位。 傳感 器的分類 傳感器種類繁多，功能各異。 由于同一被測量可用不同轉(zhuǎn)換原理實(shí)現(xiàn)探測，利用同一種物理法則、化學(xué)反應(yīng)或生物效應(yīng)可設(shè)計(jì)制作出檢測不同被測量的傳感器，而功能大同小異的同一類傳感器可用于不同的技術(shù)領(lǐng)域，故傳感器有不同的分類法。 圖 12 對傳感器進(jìn)行了分類 . 圖 12 傳感器的分類 傳感器的 基本 特性 傳感器的基本特性 可以 分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 傳感器 靜 態(tài)特性 傳感器 靜 態(tài)特性 是 輸入信號不隨時(shí)間變化時(shí)，描述傳感器的輸入量與 輸出 量之間 關(guān)系 的函數(shù)， 而靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度，靈敏度，分辨率，遲滯，重 復(fù)性，漂移 。 線性度： 傳感器的輸入量與輸出量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱為非線性誤差。 靈敏度： 傳感器在穩(wěn)態(tài)信號作用下輸出量變化對輸入量變化的比值 。 分辨 率 ： 分辨率是指傳感器能夠感知或檢測到的最小輸入信號增量。分辨率可以用絕對值或與滿量程的百分比來表示 。 遲滯： 在相同測量條件下，對應(yīng)于同一大小的輸入信號，傳感器正、反行程的輸出信號大小不相等的現(xiàn)象 重復(fù)性： 傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時(shí)所得輸入－輸出特性曲線一致的程度。 漂移： 傳感器在輸入量不變的情況下，輸出量隨 時(shí)間變化的現(xiàn)象。 傳感器 動 態(tài)特性 傳感器 動 態(tài)特性 是指傳感器對動態(tài)激勵（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性，即其輸出對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性 。 研究動態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。經(jīng)常采用的輸入信號為單位階躍輸入量和正弦輸入量。 三軸加速度傳感器 加速度傳感是基于加速度的基本原理去實(shí)現(xiàn)工作的，加速度是個(gè)空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解物體的運(yùn)動狀態(tài)，必須得到三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量；另一方面，在預(yù)先不知道物體運(yùn)動方向的場合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來測量加速度信號。 加 速度傳感器 的 原理 大多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作完成的。所謂的 壓電效應(yīng)就是對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變