【正文】 知識(shí)可以計(jì)算出 θ， ψ， φ 的值為： 三軸位置傳感器模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 )(t a nθ 221zyxaaa??? (28) )(t a n 221zxyaaa???? (29) )(t a n 221zyxaaa ?? ?? (210) 從而只需要在采集的各軸加速度上乘以對應(yīng)角度的余弦值就可以求出對應(yīng) 的標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)系下 各軸的加速度， 再 進(jìn)行數(shù)值積分，就能求出位置。 這樣就確保了位移計(jì)算的準(zhǔn)確性 位置的計(jì)算 獲得位置信息，是最終的目的，因此對位置的 準(zhǔn)確計(jì)算 很重要。如圖 21，是常用的空間直角坐標(biāo)系。如果安裝了加速度傳感器，那么在機(jī)械工作的時(shí)候，它就可以計(jì)算出 振動(dòng)的頻率，以及幅值等參量，并且由系統(tǒng)予以統(tǒng)計(jì)，以至于可以早期查找出安全隱患。 研究動(dòng)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。 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(hào)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 。 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。 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 。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。 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(dòng)狀態(tài)下位置的變化。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。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。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 。所以傳感器可定義為：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(hào)輸出的器件或裝置。 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(huì)輕易的退出競爭舞臺(tái)，可長期應(yīng)用，維持發(fā)展的能非常強(qiáng)。 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(hào)增量。 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。 加速度傳感器在人體方面的應(yīng)用也 越來越多 ，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，檢測出人體是否發(fā)生跌倒，特別對于老人的監(jiān)護(hù)，這種應(yīng)用顯得尤為重要。 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。 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 。 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。 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。對于傳統(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。 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) 。 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 也稱之為 LCD。其引腳圖 如圖 35 所示。 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。 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 是對原理圖中引腳的補(bǔ)充說明。并且 Keil uVision 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理 解。 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。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)。 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。不管接收還是 發(fā)送，時(shí)鐘線都是由高電平變?yōu)榈碗娖?。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。 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 。 //IIC 數(shù)據(jù)引腳定義 sbit LCM_RS=P2^6。 //顯示變量 int dis_datax,dis_datay,dis_dataz。 //初始化 ADXL345 void WriteDataLCM(uchar dataW)。 void Delay5ms()。 void ADXL345_WritePage()。 temp_data=temp_data%10。}} } /*******************************/ BOOL WaitForEnable(void) { BOOL result。0x80)。 _nop_()。 } 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())。_no