【正文】 ....................................................................30 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ............................................................................................31 LABVIEW 上位機(jī)系統(tǒng) ....................................................................................34第六章 總結(jié)和展望 ..................................................................................................30參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................38致 謝 ......................................................................................................................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，常常會造成這部分人群中個體的意外跌倒，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%。跌倒探測儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。測試表明，本裝置能夠檢測到多種可能會產(chǎn)生嚴(yán)重后果的人體跌倒方式，并及時將這一情況有效的進(jìn)行發(fā)布。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(jìn)行計算和分析。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儀學(xué) 生 姓 名： 柏 桂 樺 專 業(yè) 班 級： J 機(jī)電 0903 學(xué) 號： 3091102080 指 導(dǎo) 教 師： 王 權(quán) 指導(dǎo)教師職稱： 副教授 江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文摘 要在整個社會步入老年化的如今，每年有數(shù)十萬老年人因意外跌倒造成骨折、腦溢血、心臟病突發(fā)等。許多人因此失去了生命，本項目的意義在于設(shè)計一種儀器能夠檢測到人的意外跌倒，并將信息傳送給系統(tǒng)中心，如醫(yī)院，減少因意外跌倒引起的損失。當(dāng)檢測到被測人體出現(xiàn)異常跌倒情況時，能夠通過無線通信的方式，告知應(yīng)急處理服務(wù)中心，并報告發(fā)生跌倒的位置，以便于對這些可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的個體進(jìn)行救助，并及時處理。所以本裝置適用于自我保護(hù)能力比較差的老年人和兒童。其中傳感器測量對象的加速度矢量；處理器模塊負(fù)責(zé)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，分析判斷對象的身體姿態(tài)并控制報警及報警信息的發(fā)布；電源模塊負(fù)責(zé)為整個系統(tǒng)提供電力供給；通信模塊負(fù)責(zé)將報警信息通過一定的協(xié)議進(jìn)行發(fā)布。與社會上一般老年人比較，那些生活在長期護(hù)理狀態(tài)下的老年人更易跌倒，在美國老年護(hù)理院，平均每年有一半以上能行走的老年人發(fā)生跌倒。（）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。在我國，上海中山醫(yī)院調(diào)查了738例老年患者意外死亡的原因，%。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）%。日本有研究報道，股骨頸骨折幾乎全部是跌倒所致。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，最終可能引起臥床不起。老年人跌倒損傷可造成很大的醫(yī)藥護(hù)理花費，我國因老年人口比例高，基數(shù)大，這一花費可能更為巨大。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。當(dāng)出現(xiàn)跌倒情況時，如果能夠及時的通知其家人或所在地點的救助人員，將會大大減輕由于跌倒損傷對這些個體造成的傷害。 本課題的研究理論方法本項目可以在人體跌落狀態(tài)發(fā)生時進(jìn)行識別與分析。跌倒探測儀由加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和通信模塊構(gòu)成。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動分析入手，即人體運動模型的建立。第三章對目前一些主流三軸加速度傳感器（熱對流式加速度傳感器，靜電懸浮式三軸加速度傳感器，壓電式加速度傳感器，壓阻式三軸加速度傳感器，MMA7260Q三軸向高靈敏度加速度傳感器）進(jìn)行了簡單的介紹。對信號傳輸進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計。最后對探測儀做了一些總結(jié)和展望。第一，如圖（a ）一個跌倒事件通常發(fā)生在 到 的時間范圍內(nèi)。第三，如圖（c ）檢查人體跌倒事件通?？梢杂么怪蓖队爸狈綀D，因為在人體跌倒的短暫時間內(nèi)，跌倒者的垂直投影直方圖變化是非常明顯的。跌倒過程中，對象的加速度、速度和位移三種矢量均發(fā)生了變化。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。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足 =1g（站立情況下這個矢量和為 0），仍然2ZX?能夠通過計算分析得出與站立不同的加速度分布。因此，需要算法作進(jìn)一步改進(jìn)。因此，建立人體跌倒過程的運動模型，提取跌倒過程中身體姿態(tài)變化的特征參數(shù)是準(zhǔn)確檢測跌倒并發(fā)布報警信息的關(guān)鍵。的確，以往的加速度計傳感器由于其特定的工作原理和復(fù)雜的微機(jī)械加工工藝，導(dǎo)致其制造成本以及在小量程應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用。 工作原理 熱對流式加速度計是基于單片 CMOS 集成電路制造工藝完整的加速度測量系統(tǒng)。熱對流式加速度計是以氣態(tài)氣體作為質(zhì)量塊，同傳統(tǒng)的實體質(zhì)量塊相比具有很大的優(yōu)勢。這使得熱對流式加速度計的次品率和故障率很低。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。由于自由對流熱場的傳遞性，任何方向的加速度都會擾亂熱場的輪廓，從而導(dǎo)致其不對稱。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑：一條是用于測量 x 軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測量 y 軸上所感應(yīng)的加速度（見圖 31） 。從容感式加速度計的基本工作原理可以清楚地看出，熱對流式加速度計在以下幾個與可靠性相關(guān)的方面具有絕對的優(yōu)勢： 1）抗沖擊能力，熱對流式加速度計是以虛擬的懸浮于空中的熱氣團(tuán)作為重力塊。從而使其能夠抵抗大于 50,000g 的沖擊。因此在實際應(yīng)用中由于震動而出現(xiàn)極間粘連在所難免。微粒數(shù)量越少，凈化級別越高，制造成本越高。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，從而使輸出信號的零點出現(xiàn)巨大偏移，器件失效。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。 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發(fā)生往復(fù)震蕩。如果外界沖擊力的頻率與其共振頻率（2kHz 至 5kHz）相同，后果則更為嚴(yán)重。 消費電子產(chǎn)品的特點 低價格，容感式加速度計復(fù)雜的微機(jī)械加工工藝使得它的成品率無法提高，制造成本居高不下。 熱對流式加速度計基于標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到 90%以上。主要表現(xiàn)為零點溫漂和靈敏度溫度漂移。如果最終產(chǎn)品的工作溫度范圍是：10℃至 40℃，則最大將產(chǎn)生（25+10）2=70 mg 的漂移，相當(dāng)于︱70 17︱=4 度角度的變化，這是在10℃的惡劣情況下的漂移量。而且，用戶可以通過簡單的開機(jī)復(fù)位程序（及時刷新存儲器中加速度計的零值）消除這種零點漂移的影響。 對于一些測量精度較高的應(yīng)用，用戶可以選擇其低溫漂的器件（℃） 。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)靡詫崿F(xiàn)。其突出優(yōu)點是測量精度高，缺點是容易發(fā)生高壓擊穿，因而不能承受較大的加速度輸入。目前，利用此類加速度傳感器，國外已經(jīng)研制成功的高精度靜電懸浮式加速度計系統(tǒng)有:美國研制的 MACEK 及 MESA 加速度計系統(tǒng)、歐空局（ESA）研制的 ASTRE 加速度計系統(tǒng)、法國 ONERA 研制的 STAR 加速度計系統(tǒng)及 GRADIO 加速度計系統(tǒng)等。此類加速度計系統(tǒng)的測量精度已達(dá) 20ngn，理論設(shè)計分辨力高達(dá) 410 5 ngn。 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 是靜電懸浮式三軸測量加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。檢測質(zhì)量采用立方體結(jié)構(gòu)設(shè)計，由金屬材料制成。第三章 三軸加速度傳感器9圖 33 電容位移檢測原理圖　靜電懸浮原理靜電懸浮式三軸測量加速度傳感器在進(jìn)行地面檢測時，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，實現(xiàn)懸浮。 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。此時電容 C1 與 C2 相等。 加速度測量原理 當(dāng)檢測質(zhì)量因加速度的輸入而發(fā)生位移時，引起電容變化，進(jìn)而由控制電路產(chǎn)生反饋施力電壓 Uf，兩電極板電壓由原來的定值偏置電壓 Us 分別變?yōu)閁s+Uf 和 UsUf ，從而對檢測質(zhì)量產(chǎn)生靜電江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文10 （32）])()[(2122dUdSFfsfs?????式中　Us 為偏置電壓；U f=AΔC 為反饋施力電壓；A 為檢測電路增益。 參數(shù)設(shè)計 航天器在飛行過程中受到的環(huán)境非重力力主要來自大氣阻力、太陽光壓、地球熱輻射等因素。產(chǎn)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(jié)構(gòu)、質(zhì)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(guān)） 。綜合考慮各項因素，設(shè)計偏置電壓為 5 V，控制電路增益為 1012。 設(shè)計結(jié)果與討論 據(jù)式（32）可知，當(dāng)反饋電壓等于偏置電壓時產(chǎn)生的靜電力達(dá)到最大值為 （36）2max)(1dUsSF??第三章 三軸加速度傳感器11故加速度傳感器能夠承受的最大輸入加速度為 （37）23maxadlSUFs???由式（35 ）知加速度傳感器的檢測靈敏度為 （38）sSlk?23根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)計算出加速度傳感器的量程為 35 μg，靈敏度為 120 mV/μg。 誤差來源及改進(jìn)措施 1）機(jī)械加工精密機(jī)械加工是此類傳感器制造的關(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、檢測精度等。另外傳感器殼體應(yīng)有足夠的剛度，避免在裝配調(diào)試中殼體變形而影響到間隙尺寸。另外殼體等外形尺寸也必須有很好的熱穩(wěn)定性，并同時兼顧各種材料之間的相互匹配。采取屏蔽措施可以減少這種寄生電容。 4）非線性江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文12 式（31）中所表達(dá)的 ΔC 與 Δd 的完全線性關(guān)系成立的必要條件是Δdd，因此必須采用實時快速反饋回路，及時產(chǎn)生反饋施力電壓，使檢測質(zhì)量很快恢復(fù)到平衡位置，確保 Δdd 成立。 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。 壓電式加速度傳感器 壓電式加速度計的結(jié)構(gòu) 壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。 由 于 壓 電 式 傳 感 器 的 輸 出 電 信 號 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 一 定 困 難 。 經(jīng) 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 。（a）中心安裝壓縮型 （b）環(huán)形剪切型 （c ）三角剪切型 圖 34 壓電式加速度計第三章 三軸加速度傳感器13 常用的壓電式加速度計的結(jié)構(gòu)形式如圖 34 所示。圖 a 是中央安 裝壓縮型，壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接。然而基座 B 與測試對 象連接時，如果基座 B 有變形則將直接影響拾振器輸出。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。這種結(jié)構(gòu)對底座變形