【正文】 .............................................................................................................42附錄 A附錄 B附錄 C附錄 D江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文0第一章 緒 論 跌倒探測(cè)儀的意義老年人和兒童的自理能力和自我保護(hù)能力比較差，由于扭傷、絆倒或自身疾病——比如心腦血管疾病——等等因素，常常會(huì)造成這部分人群中個(gè)體的意外跌倒，老年人的跌倒現(xiàn)象非常普遍，每年約30%的老年人跌倒一次或多次，而跌倒的危險(xiǎn)隨著年齡增加而增高，80歲以上的老年人跌倒的年發(fā)生率高達(dá)50%~80%。測(cè)試表明，本裝置能夠檢測(cè)到多種可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果的人體跌倒方式，并及時(shí)將這一情況有效的進(jìn)行發(fā)布。J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 畢 業(yè) 論 文基于三軸加速度傳感器的跌倒探測(cè)儀學(xué) 生 姓 名： 柏 桂 樺 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)： J 機(jī)電 0903 學(xué) 號(hào)： 3091102080 指 導(dǎo) 教 師： 王 權(quán) 指導(dǎo)教師職稱(chēng)： 副教授 江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文摘 要在整個(gè)社會(huì)步入老年化的如今，每年有數(shù)十萬(wàn)老年人因意外跌倒造成骨折、腦溢血、心臟病突發(fā)等。當(dāng)檢測(cè)到被測(cè)人體出現(xiàn)異常跌倒情況時(shí)，能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式，告知應(yīng)急處理服務(wù)中心，并報(bào)告發(fā)生跌倒的位置，以便于對(duì)這些可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的個(gè)體進(jìn)行救助，并及時(shí)處理。其中傳感器測(cè)量對(duì)象的加速度矢量；處理器模塊負(fù)責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對(duì)象的身體姿態(tài)并控制報(bào)警及報(bào)警信息的發(fā)布；電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負(fù)責(zé)將報(bào)警信息通過(guò)一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。（）圖 11 老年人跌倒圖 跌倒是65歲以上老年人第6位的死亡原因。北京積水潭醫(yī)院13339例骨折資料表明，生活傷（其中以跌倒多見(jiàn)）%。跌倒還可使一些老年人第一章 緒 論1喪失自信心，1/4跌倒者因害怕再次跌倒而限制自己的日常生活活動(dòng)，最終可能引起臥床不起。有資料顯示，很多嚴(yán)重的后果并不是由于跌倒直接造成的，而是由于跌倒后，未得到及時(shí)的處理和救護(hù)，導(dǎo)致患者心理負(fù)擔(dān)加重，合并饑餓和寒冷等外界因素共同造成的。 本課題的研究理論方法本項(xiàng)目可以在人體跌落狀態(tài)發(fā)生時(shí)進(jìn)行識(shí)別與分析。圖 12 跌倒儀系統(tǒng)設(shè)置圖江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文2 本文的內(nèi)容本文首先從人體的運(yùn)動(dòng)分析入手，即人體運(yùn)動(dòng)模型的建立。對(duì)信號(hào)傳輸進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。第一，如圖（a ）一個(gè)跌倒事件通常發(fā)生在 到 的時(shí)間范圍內(nèi)。跌倒過(guò)程中，對(duì)象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。如果身體姿態(tài)介于平臥和側(cè)臥之間，則X軸江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文4和Z軸的加速度分量將滿(mǎn)足 =1g（站立情況下這個(gè)矢量和為 0），仍然2ZX?能夠通過(guò)計(jì)算分析得出與站立不同的加速度分布。因此，建立人體跌倒過(guò)程的運(yùn)動(dòng)模型，提取跌倒過(guò)程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準(zhǔn)確檢測(cè)跌倒并發(fā)布報(bào)警信息的關(guān)鍵。 工作原理 熱對(duì)流式加速度計(jì)是基于單片 CMOS 集成電路制造工藝完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)。這使得熱對(duì)流式加速度計(jì)的次品率和故障率很低。由于自由對(duì)流熱場(chǎng)的傳遞性，任何方向的加速度都會(huì)擾亂熱場(chǎng)的輪廓，從而導(dǎo)致其不對(duì)稱(chēng)。從容感式加速度計(jì)的基本工作原理可以清楚地看出，熱對(duì)流式加速度計(jì)在以下幾個(gè)與可靠性相關(guān)的方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)： 1）抗沖擊能力，熱對(duì)流式加速度計(jì)是以虛擬的懸浮于空中的熱氣團(tuán)作為重力塊。因此在實(shí)際應(yīng)用中由于震動(dòng)而出現(xiàn)極間粘連在所難免。如果一顆極小微粒落在兩極之間，電容的容值將發(fā)生突變，從而使輸出信號(hào)的零點(diǎn)出現(xiàn)巨大偏移，器件失效。 4）極間機(jī)械彈性震蕩，彈簧（特別是阻尼系數(shù)小的彈簧）在受到外界力的作用后會(huì)發(fā)生往復(fù)震蕩。 消費(fèi)電子產(chǎn)品的特點(diǎn) 低價(jià)格，容感式加速度計(jì)復(fù)雜的微機(jī)械加工工藝使得它的成品率無(wú)法提高，制造成本居高不下。主要表現(xiàn)為零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫度漂移。而且，用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)機(jī)復(fù)位程序（及時(shí)刷新存儲(chǔ)器中加速度計(jì)的零值）消除這種零點(diǎn)漂移的影響。以美新公司的產(chǎn)品為例，其未經(jīng)補(bǔ)償?shù)撵`敏度溫度漂移嚴(yán)格遵循以下公式，從而使外部溫度補(bǔ)償?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。目前，利用此類(lèi)加速度傳感器，國(guó)外已經(jīng)研制成功的高精度靜電懸浮式加速度計(jì)系統(tǒng)有:美國(guó)研制的 MACEK 及 MESA 加速度計(jì)系統(tǒng)、歐空局（ESA）研制的 ASTRE 加速度計(jì)系統(tǒng)、法國(guó) ONERA 研制的 STAR 加速度計(jì)系統(tǒng)及 GRADIO 加速度計(jì)系統(tǒng)等。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 是靜電懸浮式三軸測(cè)量加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。第三章 三軸加速度傳感器9圖 33 電容位移檢測(cè)原理圖　靜電懸浮原理靜電懸浮式三軸測(cè)量加速度傳感器在進(jìn)行地面檢測(cè)時(shí)，由于在垂直于地面方向（設(shè)為 x 方向）中心質(zhì)量塊受到地球吸引力的作用，因此必須給質(zhì)量塊施加一反方向的靜電力，以使其達(dá)到力平衡，并通過(guò)反饋電壓的施力作用使中心質(zhì)量塊在 x、y、z 三方向均處于零位（平衡位置）附近，實(shí)現(xiàn)懸浮。此時(shí)電容 C1 與 C2 相等。 參數(shù)設(shè)計(jì) 航天器在飛行過(guò)程中受到的環(huán)境非重力力主要來(lái)自大氣阻力、太陽(yáng)光壓、地球熱輻射等因素。綜合考慮各項(xiàng)因素，設(shè)計(jì)偏置電壓為 5 V，控制電路增益為 1012。 誤差來(lái)源及改進(jìn)措施 1）機(jī)械加工精密機(jī)械加工是此類(lèi)傳感器制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，材料的尺寸、間距、平坦度等都將影響到傳感器的量程、靈敏度、檢測(cè)精度等。另外殼體等外形尺寸也必須有很好的熱穩(wěn)定性，并同時(shí)兼顧各種材料之間的相互匹配。 4）非線(xiàn)性江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文12 式（31）中所表達(dá)的 ΔC 與 Δd 的完全線(xiàn)性關(guān)系成立的必要條件是Δdd，因此必須采用實(shí)時(shí)快速反饋回路，及時(shí)產(chǎn)生反饋施力電壓，使檢測(cè)質(zhì)量很快恢復(fù)到平衡位置，確保 Δdd 成立。 壓電式加速度傳感器 壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu) 壓電式加速度傳感器又稱(chēng)壓電加速度計(jì)。 由 于 壓 電 式 傳 感 器 的 輸 出 電 信 號(hào) 是 微 弱 的 電 荷 ， 而 且 傳 感 器 本 身 有 很 大 內(nèi) 阻 ，故 輸 出 能 量 甚 微 ， 這 給 后 接 電 路 帶 來(lái) 一 定 困 難 。（a）中心安裝壓縮型 （b）環(huán)形剪切型 （c ）三角剪切型 圖 34 壓電式加速度計(jì)第三章 三軸加速度傳感器13 常用的壓電式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖 34 所示。然而基座 B 與測(cè)試對(duì) 象連接時(shí)，如果基座 B 有變形則將直接影響拾振器輸出。這種結(jié)構(gòu)對(duì)底座變形和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線(xiàn)性。加速度單位為 m/s2，但在振動(dòng)測(cè)量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度 g 作單位，1g= 。因此選用加速度計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。 壓電加速度計(jì)的前置放大器 壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文14界上的導(dǎo)體充電到電壓 U=q/Ca（這里 Ca 是加速度計(jì)的內(nèi)電容） 。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。 從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有低通特性，原可測(cè)量極低頻的振動(dòng)。一般采用 2 線(xiàn)制，即用 2 根電纜給傳感器供給 2～10 mA 的恒流電源，而輸出信號(hào)也由這 2 根電纜輸出，大大方便了現(xiàn)場(chǎng)的接線(xiàn)。梁上有四個(gè)通過(guò)硼第三章 三軸加速度傳感器15離子注入形成的阻值完全相同的壓敏電阻，則電阻率發(fā)生變化。 飛思卡爾開(kāi)發(fā)的基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的三軸向低重力加速計(jì)MMA7260Q，專(zhuān)門(mén)面向便攜式消費(fèi)者電子產(chǎn)品。它的封裝尺寸很小，只需較小的板卡空間，另外還提供快速啟動(dòng)和休眠模式，這些特性使 MMA7260Q 成為采用電池供電的電子產(chǎn)品的理想之選，包括 PDA、手機(jī)、3D 游戲和數(shù)碼相機(jī)等。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文16YHJ70 采用這種傳感器，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)傾斜和自由下落檢測(cè)來(lái)滾動(dòng)菜單的功能。 典型應(yīng)用 墜落檢測(cè)、墜落日志、HDD 保護(hù)、MP3 播放器、 、便攜電子產(chǎn)品、用于擔(dān)保的記錄、電子羅盤(pán)、人類(lèi)環(huán)境學(xué)工具、游戲、圖像穩(wěn)定性、物理療法、文本滾動(dòng)、三維動(dòng)態(tài)撥打、計(jì)步器、機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備、防盜設(shè)備、車(chē)/人導(dǎo)航、GPS 導(dǎo)航推測(cè)、黑匣子 /時(shí)間記錄器、裝運(yùn)/ 處理監(jiān)控器、點(diǎn)擊靜音（Tap to mute） 、聲學(xué)、設(shè)備平衡 /監(jiān)控、軸承磨損監(jiān)控、地震監(jiān)控、智能電機(jī)維護(hù)。 MMA7260Q 的特性1）XYZ ：在一個(gè)設(shè)備中提供三軸向檢測(cè)靈敏度；2）可選靈敏度： g、2 g、4 g 和 6 g；3）低功耗：500 μA；4）休眠模式：3 μA，是電池供電的手持電子產(chǎn)品的理想之選；第四章 信號(hào)傳輸17 5）低壓運(yùn)行： V~ V； 6）快速啟動(dòng)：1 ms； 7）低噪音：達(dá)到更高的分辨率、更高的精確度； 8）封裝：16 針腳 6 mm*6 mm * mm 無(wú)針腳型方體扁平封裝（QFN） ； 9）參考設(shè)計(jì)（RD3112MMA7260Q ）已經(jīng)推出； 10）評(píng)估板（KIT3109MMA7260Q）已經(jīng)推出。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測(cè)器設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)。2）報(bào)警控制機(jī)制，使用者可以根據(jù)自己的身體狀況選擇是否報(bào)警，當(dāng)使用者已無(wú)法控制自己行為時(shí)，本產(chǎn)品能夠保證自動(dòng)實(shí)施報(bào)警。 6）供電采用鋰電池。液晶緩存M C U加速度傳感器C D M A 模塊按鍵系統(tǒng)電源圖 41 系統(tǒng)框架 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)圍繞MCU展開(kāi)，產(chǎn)品采用MC9S08QG8芯片，如何充分利用芯片資源，妥善完成產(chǎn)品的各項(xiàng)任務(wù)處理，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 MCU 外圍電路 本設(shè)計(jì)中，MCU外圍電路包括電源與時(shí)鐘、數(shù)據(jù)緩存和按鍵電路三部分完成，下面分別描述。其中，主要數(shù)字電路部分——包括MCU及其外圍電路部分要求提供 的工作電壓；而在無(wú)線(xiàn)通信模塊中，針對(duì)讀取入網(wǎng)SIM卡部件電路要求3V 的供電電壓，CDMA 。在本設(shè)計(jì)中，采用Holtek 公司的HT24LC16竄行EEPROM作為數(shù)據(jù)緩存。3）按鍵電路報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警取消、計(jì)步器啟動(dòng)、計(jì)步器暫停、計(jì)數(shù)清零以及無(wú)線(xiàn)通信第四章 信號(hào)傳輸21中接收方號(hào)碼的設(shè)置，都要求跌倒探測(cè)儀具有用戶(hù)輸入的接口，設(shè)計(jì)中采用按鍵實(shí)現(xiàn)。 HT1621為I 2CJI接口，MCU可通過(guò)內(nèi)部I 2C控制模塊傳輸指令和數(shù)據(jù)給該芯片。另外該模塊可收發(fā)短信、集成 GpsOne技術(shù)，無(wú)須添加其他組件即可得到地理定位信息，而且廠(chǎng)家技術(shù)支持非常完善，其各項(xiàng)功能配置非常適合跌倒探測(cè)器的需求描述。由于該模塊要求7信號(hào)的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用I/O口經(jīng)行軟件模擬其他的控制信號(hào)：CTS 、RFR和DTR。實(shí)現(xiàn)了端口的復(fù)用。在跌倒探測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)中，由跌倒探測(cè)器的軟件中，為了更好地利用和分配MCU的資源，采用了事務(wù)處理和狀態(tài)機(jī)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。首先將每項(xiàng)事務(wù)執(zhí)行的操作明確，確定每種操作的優(yōu)先級(jí)、相互關(guān)系和對(duì)資源的要求，然后在主循環(huán)中設(shè)置各種操作的啟動(dòng)機(jī)制，從總體上看，這些事務(wù)在主循環(huán)中并行地得到實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)初始化工作主要由MCU完成，包括各種配置寄存器的設(shè)置、液晶初始化指令和存儲(chǔ)緩沖區(qū)的設(shè)置，初始化工作將保證系統(tǒng)各功能組件能夠在上電后正常啟動(dòng)。而在跌倒探第四章 信號(hào)傳輸25測(cè)器運(yùn)行過(guò)程中，MCU持續(xù)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，因此要為數(shù)據(jù)分析預(yù)先開(kāi)辟好緩存區(qū)。 按鍵功能 按鍵功能在軟件設(shè)計(jì)中單獨(dú)提出是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)受限于MCU端口數(shù)量，無(wú)法按照預(yù)先設(shè)計(jì)的人機(jī)交互需求安排足夠端口作為鍵盤(pán)掃描之用。 計(jì)步器 MCU始終在分析佩戴者身體姿態(tài)的信息，因此可以將佩戴者的行走動(dòng)作分江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文26析作為一項(xiàng)附屬結(jié)果輸出，從而使跌倒探測(cè)器還具有了計(jì)步器的功能。計(jì)步器實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖47。雖然有一部分跌倒動(dòng)作可能發(fā)生人體斜靠在其它支撐物上的情況，但是綜合考慮跌倒探測(cè)器的使用背景和環(huán)境，應(yīng)該可以說(shuō)，危險(xiǎn)的或者可能已產(chǎn)生較嚴(yán)重后果的跌倒發(fā)生后，人體通常處于水平狀態(tài)，要求跌倒探測(cè)器都能夠檢測(cè)到并實(shí)施報(bào)警處理機(jī)制。跌倒探測(cè)器檢測(cè)到跌倒發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地將報(bào)警信息發(fā)布出去，才能保證跌倒者獲得救助。 DTGS800b型CDMA模塊提供RS232 接口，MCU可以根據(jù)需要通過(guò)AT命令實(shí)施對(duì)通信過(guò)程的控制。第五章 基于加速度傳感器的電子筆數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)29江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文30第五章 基于加速度傳感器的電子筆數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 引言 通用串行總線(xiàn) USB (Universal Serial Bus)，是一種應(yīng)用在 PC 領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，該總線(xiàn)接口具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。 系統(tǒng)總體框架圖　　系統(tǒng)總體框圖如圖 51 所示，MCU 采用美國(guó)德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的一種 16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器 MSP430F16