【文章內(nèi)容簡介】 晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象，加速度傳感器就是利用了其內(nèi)部的由于加速度造成的晶體變形這個特性，晶體變形 就 會產(chǎn)生電壓，只要計算出產(chǎn)生電壓和所施加的加速度之間的關(guān)系， 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(xiàn) 5 就可以將加速度轉(zhuǎn)化成電壓輸出 。而三軸加速度傳感器是加速度傳感器的一種，因此它也是基于這個原理設(shè)計的。 加速度傳感器 的應(yīng)用 加快度 傳感器 可以 應(yīng)用 于 車輛運動姿態(tài)的測量 ， 車輛在行駛中，由于路面的不平整，會產(chǎn)生跌宕，對駕駛的舒適度產(chǎn)生影響，而如果配備了三軸加速度傳感器，那么它就可以采集出車輛行駛過程中的三個軸向的加速度值，計算出車與路面的傾角，并分析這三個加速度的形成原因，從而可以調(diào)整駕駛的位置，使得駕駛的舒適性大大的提高。 加快度傳感器 還可以 應(yīng)用于 機械設(shè)備的 振動 檢測，機械設(shè)備在工作時，會產(chǎn)生一定的 振動，而這種振動對機械是無益的，它可能使得機械零部件的失效，甚至帶來一定的安全隱患。如果安裝了加速度傳感器，那么在機械工作的時候，它就可以計算出 振動的頻率，以及幅值等參量，并且由系統(tǒng)予以統(tǒng)計，以至于可以早期查找出安全隱患。并且如果機械是有懸臂的，它根據(jù)測量出的加速度的值，可以計算出懸臂的偏角，以及所處的位置，有助于操作人員及時的修正。 加速度傳感器還可以應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品，比如現(xiàn)在越來越多的人使用智能手機，在閱讀文章，玩游戲的時候，使用加速度傳感器可以模擬出人體對手機位置 的操作，從而方便了人們的一些操作 ，使人們的日常生活更加的方便，更加的科學(xué)化，人性 化。 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，加速度的值會有很 大的變化，并且發(fā)生時間短，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，這種應(yīng)用顯得尤為重要。還有計步器方面的應(yīng)用， 在 人體運動時，采集出加速度 的值 ，從而 計算出走了多少路程，并且可以根據(jù)實際的需要計算出消耗的熱量，這樣對于經(jīng)常鍛煉的人群，顯得更加人性化。 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(xiàn) 6 2 三軸位置傳感器模塊設(shè)計方案 理論基礎(chǔ) 因為我們所設(shè)計的 三軸位置傳感器模塊主要應(yīng)用于人體運動狀態(tài)下的位置變換，并且可以從 ADXL345 三軸加速度傳感器中采集到三個軸的加速度信息，因此把加速度作為自變量，將人體的位置信息作為變 量。很顯然，加速度對時間的二次積分就是位移，從而 再經(jīng)過 處理，就可以得到最終的位置信息。 坐標(biāo)分析 通常分析一個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，因為從 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。如圖 21，是常用的空間直角坐標(biāo)系。 圖 21 空間直角坐標(biāo)系 三個坐標(biāo)軸分別為 X 軸 ， Y 軸 ， Z 軸 ，如圖 21 任意一點 P 可以表示為 （ x0，y0， z0）。假設(shè) X,Y,Z 三個坐標(biāo)軸的單位向量為： i ， j ， k 那么 P 點的向量表示為： 0 0 0* * *r x i y j z k? ? ? (21) 在人體運動時，傳感器模塊也跟著做出相應(yīng)的運動，因此我們可以建立一個關(guān)于人體的空間直角坐標(biāo)系， 從而反映出模塊的位置變化。 令 X 軸方向為正向， Y 軸方向為側(cè)向， Z 軸方向為垂直方向， 如圖 22 所示 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(xiàn) 7 圖 22 人體坐標(biāo)系 靜止到運動 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\動狀態(tài)時的判斷很重要。并且對于加速度模塊，即使靜止的放在一個位置，它采集到的加速度信息還是有波動的，因此必須確定一個閾值，當(dāng)采集到的各軸加速度變化，小于這個閾值時，認(rèn)為它是靜止的，大于這個閾值時則認(rèn)為它開始運動了。人體在靜止?fàn)顟B(tài)下，加速度變化介于 － ~ 之間，因此可以將 作為判斷的一個閾值。 假設(shè)加速度采樣時間為 Δt，前一時刻和當(dāng)前時刻的加速度值分別為 a_old 和a_new。則運動狀態(tài)發(fā)生變化時有 |a_new－ a_old|≥ ，若滿足該式，則進(jìn)行加速度的二次累加計算出相應(yīng)的位移，若不滿足，則跳過累加。 這樣就確保了位移計算的準(zhǔn)確性 位置的計算 獲得位置信息，是最終的目的，因此對位置的 準(zhǔn)確計算 很重要。 理論上計算位置根據(jù)以下過程 。 設(shè) i ， j ， k 為 x,y,z 方向的單位向量 ()xxe e t? ， ()yye e t? ， ()zze e t? 表示 各坐標(biāo) 軸隨 著 時間的變化 時各軸的方向向量。 xa ， ya ， za 是 采集到 的三個加速度 ()ax , ()ay , ()az 是各空 間方向的加速度 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(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) 實際采集到的加速度是離散的點，因此需要做數(shù)值 積分， 但是思路卻是基于上邊的方法 。 因為對向量 的計算在具體的程序?qū)崿F(xiàn)是比較困難的，所以本論文設(shè)計了一種比較容易實現(xiàn)的方法來求位移。以標(biāo)準(zhǔn)的空間坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，在運動的過程中，通過加速度傳感器采集到的加速度數(shù)據(jù)都會和標(biāo)準(zhǔn)的 x,y,z 軸有一定的夾角。因此可以先計算出夾角，然后各個坐標(biāo)軸單獨求加速度分量。 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。如圖 23 圖 23 傾斜角度圖 由數(shù)學(xué)知識可以計算出 θ， ψ， φ 的值為： 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(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。 系統(tǒng)框架 由于 本課題所設(shè)計的三軸位置傳感器模塊 需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理，并且顯示出處理后的數(shù)據(jù)。因此 可以分為以下幾個子模塊，主控模塊，加速度采集模塊，顯示模塊，電源。 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，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，對計算出的位置予以顯示，電源負(fù)責(zé)給整個傳感器模塊供電。 主控模塊 顯示模塊 加 模 速 塊 度 采 集 電 源 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(xiàn) 10 本章小結(jié) 本章根據(jù)三軸位置傳感器模塊在對人體運動 狀態(tài)下 的 位置的變化測量需求 ， 首先介紹了傳統(tǒng)的空間直接坐標(biāo)，建立了人體的坐標(biāo)系。判斷人體從靜止?fàn)顟B(tài)到運動狀態(tài)很重要，因為加速度計有個波動范圍，因此需要有一個閾值能夠判斷出狀態(tài)的變化。接著分析了傳統(tǒng)的位置計算方法，提出了改進(jìn)后的位置計算方法，很明顯傳統(tǒng)的思路 雖然簡單，可實際應(yīng)用時卻要進(jìn)行向量運算，而改進(jìn)后的方法只需要求出傳感器各軸偏轉(zhuǎn)的角度，就可以確定出標(biāo)準(zhǔn)空間坐標(biāo)系上各軸的加速度值，從而只需要進(jìn)行簡單的數(shù)值積分就能得到位置信息。最后設(shè)計了三軸位置傳感器的整體框架。在下面的章節(jié)，會做出更詳細(xì)的設(shè)計。 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(xiàn) 11 3 三軸位置傳感器的硬件設(shè)計 系統(tǒng)的硬件架構(gòu) 根據(jù)上一章系統(tǒng)框架的設(shè)計，具體實現(xiàn)的硬件構(gòu)架如圖 31 所示。該框架由四個子模塊構(gòu)成： 8051 單片機微處理器模塊， ADXL345 加速度傳感器模塊， 1602 液晶顯示模塊，以及電平 轉(zhuǎn)換模塊。 I2C 總線 SDA 數(shù)據(jù)線 SCL 時鐘線 圖 31 硬件構(gòu)架 如圖 31，加速度傳感器模塊和 8051 單片機之間采用 I2C 總線進(jìn)行通信，因為ADXL345 采用的是 供電，而單片機系統(tǒng)采用的是 因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這里使用 SN74LVC4245 芯片作為電平轉(zhuǎn)換模塊，加速度計采集到的信息是基于 的電信號，通過該模塊，將其轉(zhuǎn)換為基于 的電信號，再通過 I2C 總線送給單片機。同樣，單片機發(fā)送指令時，通過 I2C 總 線，將基于 的電信號送給電平轉(zhuǎn)換模塊，該模塊將其轉(zhuǎn)換為基于 的電信號，再送給 ADXL345 模塊。只有這樣才能夠采集到正確的加速度信息。 硬件設(shè)計 8051單片機模塊 單片機是整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了對各模塊的控制，根據(jù)本課題所設(shè)計的傳感器的基本要求，單片機低功耗是必須的，還有就是能夠 高速 的處理數(shù)據(jù)，以滿足實STC89C52 單片機 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)計與實現(xiàn) 12 時性的要求 。 8031 單片機片內(nèi)不帶程序存儲器 ROM，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路 373。 8051 是一種 8 位元的單芯片單芯片微控制器，并且內(nèi)部有 4K ROM。 本課題選用的是 STC89C52 單片機，是一種 增強型 8051 單片機 。對于傳統(tǒng)的8051 單片機 有 1 個 8 為的 CPU，時鐘電路可以提供 6 時鐘 機器周期 和 12 時鐘機器周期， 內(nèi)部有 4KB 的 ROM 來存儲程序，最大可以擴展到 64KB，而且它的數(shù)據(jù)存儲器為 128B，這樣就方便了數(shù)據(jù)的存儲，同 ROM 一樣，它也可以擴展到 64KB。8051 單片機提供了兩個 16 位的定時器有時候也叫計數(shù)器，它們可以在中斷以及定時計數(shù)時使用。總線的擴展電路為 64KB。 8051 單片機的 功耗 極低，并且擁有很高的 性能 ，是一個 8 位 的 微控制 。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： 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 的程序存儲器 ROM 擴展到了 8KB，從而可以編寫更多代碼的程序，以滿足更多的需要。 3． 在芯片上集成的 RAM 為 512B，而傳統(tǒng)的只有 128B。 4． 它 具有 EEPROM 功能 ，這樣方便了數(shù)據(jù)的存儲，不受系統(tǒng)掉電的影像。 三軸位置傳感器模塊設(shè)計與實現(xiàn) 13 5． 外部中斷 有 4 路， 都是 下降沿中斷 方式 或 者使用 低電平觸發(fā)電路 6． 可以使用異步串口模式 UART， 對于程序的調(diào)試幫助很大 很明顯可以看出 STC89C52 芯片，可以充分的完成本課題的需求，