【正文】 在本設計中采用Holtek公司的HT1621B芯片還具有蜂鳴器控制和驅動能力，在本設計中，集成蜂鳴器作為現場報警提示將有助于提高跌倒探測儀報警的針對性和準確性，將通過在HT1621B的BZ管腳連接一蜂鳴器得以實現。2）存儲器有效的數據緩存要求至少具有320點（合1920字節(jié)）的存儲深度。本設計將利用MC9S08QG8芯片內部的A/D模塊實現模數轉換，具體實現中采用PAO、PA1和PA2 作為三軸加速度的采集通道，與MMA7260QT的Xout（Pin15）、Yout（Pin14 ）和Zout（Pin13）相連，A/D 采樣的控制時鐘通過軟件配置MC9S08QG8相應控制寄存器完成。 5）無線通訊，能夠將報警和定位信息通過無線方式傳輸到相關人員處。采用無線通信的方式發(fā)布跌倒報警信息非常適合能夠自由行動的佩戴者，無線通信技術從技術成熟度、運行成本角度也都非常適用。僅以 MMA7260Q 的典型應用包括為例，就包括：墜落檢測、Fall log、HDD 保護、MP3 播放器、便攜電子產品、擔保記錄、電子羅盤、人類環(huán)境學工具、游戲、圖像穩(wěn)定性、物理治療、文本滾動。 MMA7260Q 是一款單芯片設備，具有三軸向檢測功能，使便攜式設備能夠智能地響應位置、方位和移動的變化。 壓阻式三軸加速度傳感器 工作原理壓阻式加速度傳感器是基于硅的壓阻效應，即當有外部的加速度作用在傳感器上，由于慣性力使質量塊產生位移，導致梁發(fā)生變形。在電荷放大器中，通常用高質量的元、器件，輸入阻抗高，但價格也比較貴。因此，壓電式加速度計在測試時具有明顯的方向性。前者是加速度計輸出電壓（mV）與所承受加速度之比；后者是加速度計輸出電荷與所承受加速度之比。這種結構有高的共振頻率。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。可將傳感器放在一金屬殼體內，并將殼體可靠接地。根據靈敏度計算結果，1ng 的加速度輸入將產生 mV 的輸出電壓，就目前的技術水平來說，對于以上幅度的電壓信號是比較容易檢測的，因此以上設計的加速度傳感器有望達到 1 ng 的分辨力，適合航天器高精度微重力環(huán)境測量。當檢測電路增益足夠高時，上式化簡為 （33）fsUdSF2?? 由力平衡條件 ma=F（ m 為檢測質量塊的質量；a 為外界輸入的加速度)，可得到加速度與檢測到的反饋電壓的關系 （34）fsdS2?? 當檢測質量（立方體)體積為 l3，材料密度為 ρ 時，則上式變?yōu)? （35）fsUla23?? 通過測量反饋電壓便可以知道外界輸入的加速度值。電容極板由絕緣材料并在其內表面濺射金屬薄膜加工而成（如圖 33 所示） 。但它對于獨特的空間微重力環(huán)境測量具有較大優(yōu)勢，因此在國際宇航界有關實驗室得到相當發(fā)展。絕大多數消費類領域的應用（如手持設備） ，對測量精度的要求不是很高，正負 2 度的角度偏差是可以接受的。低于 35Hz 的頻響范圍使熱對流式加速度計自然規(guī)避了此類現象的發(fā)生。容感式加速度計特殊的微機械結構，使其抵抗極小微粒的能力大大下降。江 蘇 大 學 本 科 學 位 論 文6 圖 31 熱對流加速計的原理示意圖 優(yōu)點 傳統的容感式加速度計是以兩個相對排列的叉狀陣列作為電容的兩極，外界加速度使可移動極（重力塊）與固定極發(fā)生相對移動，從而使兩極間的電容量發(fā)生變化，再通過一定的電路（如可變電容振蕩器）將此變化量轉換成相對應的輸出信號。它不存在電容式傳感器所存在的粘連、顆粒等問題，同時能抵抗 50,000g 以上的沖擊。一般來說，假陽性情況可以通過對加速度在時間域進行一次積分求速度、兩次積分求位移的方式，全方位分析佩戴者身體姿態(tài)變化加以篩選；而假陰性情況除采用上面的全面姿態(tài)分析外，還需要佩戴者自主參與才能有效提高檢出效率。 （a）跌倒的持續(xù)時間圖 （b）人體跌倒重心變化示意圖（c）人體跌倒的垂直投影直方圖圖 21 檢測人體跌倒的三個特征 人體運動模型的建立 在姿態(tài)轉變過程中，重力將成為影響這一運動過程的主要因素。第四章從三塊設計（即系統方案設計，系統結構設計，硬件設計）入手?？梢姷固綔y儀的意義非常重要。另外，跌倒會造成腦部損傷、軟組織損傷等傷害。跌倒既能直接損害老年人的機體，又能間接阻礙老年人的活動，降低生活質量。本文研制了一種人體跌倒探測裝置，該裝置使用 MC9S08QG8 微處理器作為控制和算法處理核心，通過連續(xù)監(jiān)測的 MMA7260QT 三軸加速度傳感器的輸出，從而對被測人體的身體姿態(tài)和運動進行計算和分析。所以本裝置適用于自我保護能力比較差的老年人和兒童。在我國，上海中山醫(yī)院調查了738例老年患者意外死亡的原因，%。老年人跌倒損傷可造成很大的醫(yī)藥護理花費，我國因老年人口比例高，基數大，這一花費可能更為巨大。跌倒探測儀由加速度傳感器、數據處理模塊、電源和通信模塊構成。最后對探測儀做了一些總結和展望。使用者正確佩戴跌倒探測器而且處于靜止或水平勻速運動狀態(tài)下，Y軸方向的加速度為重力加速度（g），其他兩個方向上加速度為0。的確，以往的加速度計傳感器由于其特定的工作原理和復雜的微機械加工工藝，導致其制造成本以及在小量程應用領域的失效率居高不下，使其無法在消費類電子中得到廣泛的應用。在未受到加速度或水平放置時，溫度的下降陡度是以熱源為中心完全對稱的。從而使其能夠抵抗大于 50,000g 的沖擊。巨大而密集的叉狀陣列的存在使得容感式加速度計很難擺脫此類失效。 熱對流式加速度計基于標準的 CMOS 制造工藝，使其圓片加工工序的成品率大大提高，全線成品率達到 90%以上。 對于一些測量精度較高的應用，用戶可以選擇其低溫漂的器件（℃） 。此類加速度計系統的測量精度已達 20ngn，理論設計分辨力高達 410 5 ngn。 電容位移檢測原理 不失一般性，此處僅討論一個方向（x 軸）位移的電容檢測原理，其它兩軸的檢測原理相同。產生的加速度水平大約在 10 μg 量級（與航天器飛行高度、航天器結構、質量、橫截面積、表面積以及大氣密度、太陽輻射、地球漫發(fā)射等因素有關） 。另外傳感器殼體應有足夠的剛度，避免在裝配調試中殼體變形而影響到間隙尺寸。 靜電懸浮式加速度傳感器以其高靈敏、高精度的優(yōu)點在各類加速度傳感器中占有一席之地。 經 過 阻 抗 變 換 以 后 ， 方 可 用 于 一 般 的 放 大 、 檢 測 電 路將 信 號 輸 給 指 示 儀 表 或 記 錄 器 。圖 c 為三角剪切形，壓電元件由夾持環(huán)將其夾牢在三角形中心柱上。 對給定的壓電材料而言，靈敏度隨質量塊的增大或壓電元件的增多而增大。換句話講，壓電加速度計所用的前置放大器應具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測量準確度所要求的限度以內。 隨著電子技術的發(fā)展，目前大部分壓電式加速度計在殼體內都集成放大器，由它來完成阻抗變換的功能。而采用恒流源供電，可以有效的消除溫度和擴散電阻不均勻所帶來的影響。 三星電子發(fā)布的兩款數字音頻播放器（YHJ70 和 YPT8）中采用了這種傳感器。除了使用 MMA7269Q 傳感器的加速器解決方案外，我們的參照設計工具包還包括一個 MCU、一個 SCI 接口、一個按鈕、piezohorn 和一個帶有應用代碼的串口連接及軟件。當出現跌倒動作時。 系統結構設計 根據跌倒探測器的需求分析，具體的實現方案設計采用如圖41所示的架構。根據所選用器件的數據手冊，各組件對供電要求如圖42所示。數據寫滿后，MCU自動將地址重置，從首地址開始覆蓋寫入新的數據。 通信模塊本設計采用AnyData公司的DTGS800b型OEM模塊。 端口分配 由于本設計采用MC9S08QG8單片機僅能提供最多14個I/O端口，根本無法滿足控制整個系統運行的信號數量要求，故在進行具體設計時，對各管腳的使用和分配進行了專門的部署，如圖44所示。對用戶來說，佩戴正常工作的跌倒探測儀將能夠得到這些服務，而對MCU來說，每項功能的實現過程都是它將要處理的一項事務。2）液晶初始化通過指令初始化液晶驅動控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。“Alam”鍵（啟動報警接收方號碼輸入、手機報警）：跌倒探測器一般工作模式下，長按（超過2秒）“Alam”鍵，啟動報警信息發(fā)布功能，適用于除跌倒情況外其他緊急情況；跌倒探測器一般工作模式下，按“Alam”鍵，跌倒探測器進入設置報警接收方號碼狀態(tài)，配合“Alter ”鍵實現號碼輸入；跌倒探測器進入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時，按 “Alam”鍵，直接發(fā)布報警信息，然后關閉蜂鳴器；“Alter”鍵（計步器啟動、暫停、清零、取消報警、設置報警接收方號碼）：跌倒探測器一般工作模式下，按“Alter” 鍵在計步器啟動、暫停和清零三項功能之間切換；跌倒探測器進入報警接收方號碼輸入狀態(tài)時，“Alter”鍵執(zhí)行液晶顯示的數字加1的操作，數字從0~9循環(huán)；跌倒探測器進入報警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時，按 “Alter”鍵取消報警。另外有研究顯示，人體發(fā)生的所有跌倒形態(tài)中，由于意識喪失造成的近似自由落體形式的跌倒占9%，步行過程中不慎跌倒占39%，上下樓過程產生的跌倒占20% ，轉身或登高取物過程發(fā)生的跌倒占24%，上下床或座椅時發(fā)生的跌倒占13% ，從事高風險作業(yè)過程中出現的意外跌倒占12%。 針對上面提到的幾種情況，報警處理的軟件設計將加以區(qū)分對待： 檢測到跌倒后，系統啟動30S的倒計時器，并打開蜂鳴器，每3S 響一次，如果沒有收到任何輸入，30S結束后，系統自動發(fā)布報警信息； 進入30S倒計時后，蜂鳴器（beep ），系統可以響應用戶輸入，跌倒探測器的兩個按鍵分別設置為“手動報警”和“取消報警”的功能，如果用戶按“手動報警”鍵，系統發(fā)布報警信息； 如果用戶按“取消”鍵，系統關閉30S倒計時和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計步器和跌倒檢測狀態(tài)。利用 LabVIEW 編制的電子筆數據采集應用程序，把 LabVIEW 語言和 USB 總線緊密結合起來的數據采集系統集成兩者的優(yōu)點。 按照上述方案設計完成的跌倒探測器樣機線路板如圖410所示，圖 410 樣機線路板兩視圖 左圖為帶有 CDMA 模塊線路，可見其下方是讀 SIM 卡電路。跌倒檢測的算法狀態(tài)機如圖48所示，跌倒檢測算法描述如下：1） 主循環(huán)等待，監(jiān)測Z軸加速度變化，如果超過閥值，進入下一步；第四章 信號傳輸272） 等待加速度恢復到正常范圍內，進入下一步；3） 再設置延遲10秒，等待佩戴者狀態(tài)穩(wěn)定；4） 數據分析，如果發(fā)現佩戴者身體水平，認為發(fā)生跌倒狀況，觸發(fā)報警處理。由于在實際使用過程中，身體隨邁步動作產生相應的晃動同樣會引起加速度傳感器在三個正交坐標軸方向上的輸出，因此在設計檢測算法時應設定合適的加速度閥值。 需要使用者經行確認的系統信息的設定，是指跌倒探測器報警信息的接收方可以根據實際情況由使用者進行設定，例如親屬的移動電話或急救中心的固定座機（要求能夠接收短信）。江 蘇 大 學 本 科 學 位 論 文24計步器跌倒檢測報警處理無線通信控制主循環(huán)圖 46 事務處理的調用關系 針對某些項事務處理的實現，在軟件設計中采用了狀態(tài)機的方法以確保整個任務能夠順暢而正確地得以實現。EEPROM和液晶驅動組件的存取采用I 2C接口，本設計中將使用MC9S08QG8的I 2C模塊經行硬件控制，通過地址選擇實現不同組件間的切換。本設計中通過模塊的設計如圖43所示。 液晶顯示 本設計采用5位7段碼液晶屏，計步器顯示計數和報警接受方電話號碼輸入都是通過該液晶屏提供給使用者確認。MC9S08QG8自帶時鐘模塊（ICS ），為了降低功耗和簡化設計，本系統通過軟件設置相應的控制寄存器實現系統時鐘的上電穩(wěn)定工作，故在硬件電路設計中不需作過多的考慮。MC9S08QG8芯片的PA 腳為復用通道，可根據需要設置為I/O、鍵盤中斷或A/D采樣通道。 4）空間定位，在實施跌倒報警時，應為報警信息接收方提供報警地點的空間定位信息，保證有效救助及時到達。江 蘇 大 學 本 科 學 位 論 文18第四章 信號傳輸 引言跌倒報警必須及時送達救助中心才能夠保證救助的有效性，報警信息的及時發(fā)布要求包含兩層含義：其一是報警信息不會因為跌倒探測儀佩戴者的行動和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報警信息中應該包括佩戴者跌倒的地理位置內容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。全方位感知 由于 MMA7260Q 傳感器能在三個軸向上靈敏地準確測量到低重力水平的墜落、傾斜、移動、放置、震動和搖擺，各個行業(yè)的設計工程師都能得以致用。它的 3 μA 睡眠模式、500 μA 低運行電流、 ms 的快速啟動響應時間及 6 mm6 mm 的小巧包裝等其它特性更使圍繞 MMA7260Q 的設計活動輕松方便、經濟高效。同樣，這種傳感器也全部實現了內置，具有替換磁電式速度傳感器的趨向。電荷放大器以電容作負反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。一般在殼體上用小紅點標出最小橫向靈敏度方向，一個優(yōu)良的加速度計的橫向靈敏度應小于主靈敏度的 3％。由于粘結劑會隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制 壓電式加速