【正文】 予以總結(jié)，并對(duì)課題的實(shí)際意義予以展望。所以傳感器可定義為：能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測(cè)量對(duì)象并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。 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(duì)于處于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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。 相對(duì)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(huì)輕易的退出競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)，可長(zhǎng)期應(yīng)用，維持發(fā)展的能非常強(qiáng)。 圖 12 對(duì)傳感器進(jìn)行了分類(lèi) . 圖 12 傳感器的分類(lèi) 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(dòng)態(tài)特性。 分辨 率 ： 分辨率是指?jìng)鞲衅髂軌蚋兄驒z測(cè)到的最小輸入信號(hào)增量。 傳感器 動(dòng) 態(tài)特性 傳感器 動(dòng) 態(tài)特性 是指?jìng)鞲衅鲗?duì)動(dòng)態(tài)激勵(lì)（輸入）的響應(yīng)（輸出）特性，即其輸出對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性 。 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(lái)工作完成的。 加快度傳感器 還可以 應(yīng)用于 機(jī)械設(shè)備的 振動(dòng) 檢測(cè)，機(jī)械設(shè)備在工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的 振動(dòng)，而這種振動(dòng)對(duì)機(jī)械是無(wú)益的，它可能使得機(jī)械零部件的失效，甚至帶來(lái)一定的安全隱患。 加速度傳感器在人體方面的應(yīng)用也 越來(lái)越多 ，比如在人體跌倒方面的應(yīng)用，人體跌倒時(shí)，加速度的值會(huì)有很 大的變化，并且發(fā)生時(shí)間短，可以根據(jù)這些，檢測(cè)出人體是否發(fā)生跌倒，特別對(duì)于老人的監(jiān)護(hù)，這種應(yīng)用顯得尤為重要。 坐標(biāo)分析 通常分析一個(gè)物體所處的位置狀態(tài)，所用的是笛卡兒坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系，因?yàn)閺?ADXL345 中采集到的加速度信息是基于笛卡爾坐標(biāo)系的，也就是通常所說(shuō)的直角坐標(biāo)系，因此在本論文的研究是在直角坐標(biāo)系中介紹的。 令 X 軸方向?yàn)檎颍?Y 軸方向?yàn)閭?cè)向， Z 軸方向?yàn)榇怪狈较颍?如圖 22 所示 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 7 圖 22 人體坐標(biāo)系 靜止到運(yùn)動(dòng) 的判斷 為了能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出人體位置狀態(tài)的改變，因此當(dāng)人體從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的判斷很重要。則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)有 |a_new－ a_old|≥ ，若滿足該式，則進(jìn)行加速度的二次累加計(jì)算出相應(yīng)的位移，若不滿足，則跳過(guò)累加。 xa ， ya ， za 是 采集到 的三個(gè)加速度 ()ax , ()ay , ()az 是各空 間方向的加速度 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 則空間加速度為： ( ( ), ( ), ( ))a a x a y a z? (22) 在上式中： ( ) ( * * * ) *x x y y z za x a e a e a e i? ? ? (23) ( ) ( * * * ) *x x y y z za y a e a e a e j? ? ? (24) ( ) ( * * * ) *x x y y z za z a e a e a e k? ? ? (25) 于是速度和位移分別為式 (26)、 (27) ( ) ( )v t a t dt?? (26) ( ) ( )s t v t dt?? (27) 實(shí)際采集到的加速度是離散的點(diǎn)，因此需要做數(shù)值 積分， 但是思路卻是基于上邊的方法 。 設(shè) θ 為 標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)系 x 軸與加速度模塊 x 軸， ψ 為標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)系 y 軸與加速度模塊 y 軸， φ 為標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)系 z 軸負(fù)方向與加速度模塊 z 軸夾角。 圖 24 是系統(tǒng)的整體框架 圖 24 系統(tǒng)整體框架 其中主控模塊是 8051 單片機(jī)，負(fù)責(zé) 對(duì)采集到的加速度信息進(jìn)行分析處理，加速度采集模塊為 ADXL345 三軸加速度傳感器，顯示模塊為 1602 液晶顯示屏，對(duì)計(jì)算出的位置予以顯示，電源負(fù)責(zé)給整個(gè)傳感器模塊供電。最后設(shè)計(jì)了三軸位置傳感器的整體框架。 I2C 總線 SDA 數(shù)據(jù)線 SCL 時(shí)鐘線 圖 31 硬件構(gòu)架 如圖 31，加速度傳感器模塊和 8051 單片機(jī)之間采用 I2C 總線進(jìn)行通信，因?yàn)锳DXL345 采用的是 供電，而單片機(jī)系統(tǒng)采用的是 因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 硬件設(shè)計(jì) 8051單片機(jī)模塊 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各模塊的控制，根據(jù)本課題所設(shè)計(jì)的傳感器的基本要求，單片機(jī)低功耗是必須的，還有就是能夠 高速 的處理數(shù)據(jù)，以滿足實(shí)STC89C52 單片機(jī) 1602 液晶顯示 SN74LVC4245 電平轉(zhuǎn)換 ADXL345 加速度傳感器 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 時(shí)性的要求 。對(duì)于傳統(tǒng)的8051 單片機(jī) 有 1 個(gè) 8 為的 CPU，時(shí)鐘電路可以提供 6 時(shí)鐘 機(jī)器周期 和 12 時(shí)鐘機(jī)器周期， 內(nèi)部有 4KB 的 ROM 來(lái)存儲(chǔ)程序，最大可以擴(kuò)展到 64KB，而且它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 128B，這樣就方便了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同 ROM 一樣，它也可以擴(kuò)展到 64KB。圖 32 給出了 STC89C52 的芯片管腳圖 圖 32 STC89C52 管腳圖 該芯片有以下特點(diǎn)： 1． 工作電壓 范圍從 到 變化，這樣就方便了外設(shè)電路的集成，而不需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換 2． 它從 4KB 的程序存儲(chǔ)器 ROM 擴(kuò)展到了 8KB，從而可以編寫(xiě)更多代碼的程序，以滿足更多的需要。 三軸加速度傳感器 在三軸加速度傳感器的選擇上 ，選用的是 ADI 公司的 ADXL345 加速度傳感，ADXL345 的體積小 ， 尺寸大小為 3 mm 5 mm 1 mm，擁有極低的功耗，并且擁有高度 13 位的分辨率 ， 最高的 測(cè)量范圍 可以從 16g 到達(dá) +16g， 數(shù)字輸出 的格式為16 位 的二進(jìn)制補(bǔ)碼 ， 通信方式可以采用 SPI 或 I2C 串行通信，這樣就方便了與單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì) 。 的角度變化 。 圖 34 寄存器映射 單片機(jī)外圍電路 液晶顯示屏 液晶顯示器 也稱(chēng)之為 LCD。 RW 為讀寫(xiě)操作腳，當(dāng)該腳為低電平的時(shí)候進(jìn)行寫(xiě)，高時(shí)候進(jìn)行讀操作。其引腳圖 如圖 35 所示。 圖 36 I2C 串行總線連接 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 在 I2C 串行總線中，要求每個(gè)模塊都有唯一確定的地址， 在數(shù)據(jù)的傳輸中， I2C總線上并接的每一個(gè)模塊既是主控器又是發(fā)送設(shè)備， CPU 發(fā)送的信息分為地址和控制信息，其中地址信息用來(lái)選擇被控制的器件電路， 確定控制電路的種類(lèi)。 圖 37 I2C 總線 在傳送數(shù)據(jù)之前，主控器先發(fā)送起始信號(hào) ， 通知接收器件做好接收的準(zhǔn)備，在通信結(jié)束時(shí)，主控器發(fā)送停止信息，通知接收器件停止接收。 應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的接收器件在收到 8 位的數(shù)據(jù)之后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的主控器件發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已經(jīng)接收到了數(shù)據(jù)。 圖 39 原理圖設(shè)計(jì) 前面主要介紹了各子模塊的作用以及工作原理，本節(jié)中主要給出了該模塊的原理圖，如 圖 310，圖 311 是對(duì)原理圖中引腳的補(bǔ)充說(shuō)明。 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 19 4 三軸位置傳感器的軟件設(shè)計(jì) 本課題是要采集出空間坐標(biāo)系下各軸的加速度信息，并計(jì)算出人體的位置變化，并顯示在液晶屏上。并且 Keil uVision 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理 解。這種復(fù)位電路的工作原理是通電時(shí)，電容兩 端等同于 短路，于是 RST 引腳上為高電平，然后電源通過(guò)電阻對(duì)電容充電， RST 端電壓慢慢下降，降到一定程序，即為低電平，單片機(jī)開(kāi)始正常工作。 當(dāng)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)方式時(shí)，計(jì)數(shù)器的加 1信號(hào)由振蕩器的 12 分頻信號(hào)產(chǎn)生，也就是每過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加上 1，直到計(jì)數(shù)器達(dá)到最大值溢出。 圖 43 TMOD 各位的模式定義 TCON 是 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的 控制寄存器 ， 其格式 如圖 44 所示 。晶振的頻率當(dāng)然很準(zhǔn)，所以這個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)間間隔也很準(zhǔn)。 工作方式 1： 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)方式，因此，最多可以計(jì)到 2 的 16 次方，也就是65536 次。 MCS 51 單片機(jī)有 5 個(gè)（ 8052 有 6 個(gè)）中斷源 , 為了使每個(gè)中斷源都能獨(dú)立地被允許或禁止 , 以便用戶能靈活使用 , CPU 內(nèi)部在每個(gè)中斷信號(hào)的通道中設(shè)置了一個(gè)中斷允許觸發(fā)器 , 它控制 CPU 能否響應(yīng)中斷。 加速度采集 該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集， 圖 34 已經(jīng) ADXL345 的寄存器映射表，根據(jù) I2C 的通信規(guī)則，可以進(jìn)行如圖 47 的器件尋址 ，并根據(jù)圖 48 的 I2C 的時(shí)序圖進(jìn)行代碼的編寫(xiě)。不管接收還是 發(fā)送，時(shí)鐘線都是由高電平變?yōu)榈碗娖健? 根據(jù)等式 (28)、 (29)、 (210)計(jì)算出采集到的加速度和建立的標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)系各軸的夾角，也就是歸于一個(gè) 方向 進(jìn)行計(jì)算。令此時(shí)的加速度 ax_old,再讀取一個(gè)數(shù)據(jù)令它為 ax_new。 （ 4）因?yàn)檫x用的采樣頻率為 ，因此采樣間隔為 毫秒，采樣十次顯示一次結(jié)果。 圖 49 給出了算法的具體流程圖： 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 25 N Y N Y N Y 圖 49 x 軸 位置計(jì)算算法流程圖 采集加速 度數(shù)據(jù)為 old 采集加速 度數(shù)據(jù)為 new 三個(gè)軸|newold|≥ 重新計(jì)算傾斜角度 傾斜角度保持不變 X 軸 |newold|≥ 求速度和加速度，令 Flag=1 Flag=0 Falg=1 V0=Vt， S0=St V0=0， S0=S0 結(jié)束 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 26 顯示模塊 這里液晶顯示采用的是 1602 液晶屏，圖 34 是它的電路圖 。也就是說(shuō)每行最多顯示 16 個(gè)字符，可以本課題滿足要求。 //IIC 數(shù)據(jù)引腳定義 sbit LCM_RS=P2^6。 typedef unsigned short WORD。 //顯示變量 int dis_datax,dis_datay,dis_dataz。 float idata sx=0,sx0=0,sy=0,sy0=0,sz=0,sz0=0。 //初始化 ADXL345 void WriteDataLCM(uchar dataW)。 void Single_Write_ADXL345(uchar REG_Address,uchar REG_data)。 void Delay5ms()。 bit ADXL345_RecvACK()。 void ADXL345_WritePage()。 temp_data=temp_data%1000。 temp_data=temp_data%10。ik。}} } /*******************************/ BOOL WaitForEnable(void) { BOOL result。 _nop_()。0x80)。 LCM_RS=0。 _nop_()。 LCM_EN=1。 } 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 32 /*******************************/ void WriteDataLCM(uchar dataW) { while(WaitForEnable())。 _nop_()。_nop_()。 WriteCommandLCM(0