【正文】 和溫度變化有極好的隔離作用，有較高的共振頻率和良好的線性。由于粘結(jié)劑會(huì)隨溫度增高而變軟，因此最高工作溫度受到限制 壓電式加速度計(jì)的靈敏度 壓電加速度計(jì)屬發(fā)電型傳感器，可把它看成電壓源或電荷源，故靈敏度有電壓靈敏度和電荷靈敏度兩種表示方法。加速度單位為 m/s2，但在振動(dòng)測(cè)量中往往用標(biāo)準(zhǔn)重力加速度 g 作單位，1g= 。 對(duì)給定的壓電材料而言，靈敏度隨質(zhì)量塊的增大或壓電元件的增多而增大。因此選用加速度計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)權(quán)衡靈敏度和結(jié)構(gòu)尺寸、附加質(zhì)量的影響和頻率響應(yīng)特性之間的利弊。一般在殼體上用小紅點(diǎn)標(biāo)出最小橫向靈敏度方向，一個(gè)優(yōu)良的加速度計(jì)的橫向靈敏度應(yīng)小于主靈敏度的 3％。 壓電加速度計(jì)的前置放大器 壓電元件受力后產(chǎn)生的電荷量極其微弱，這電荷使壓電元件邊界和接在邊江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文14界上的導(dǎo)體充電到電壓 U=q/Ca（這里 Ca 是加速度計(jì)的內(nèi)電容） 。換句話講，壓電加速度計(jì)所用的前置放大器應(yīng)具有極高的輸入阻抗，把泄漏減少到測(cè)量準(zhǔn)確度所要求的限度以內(nèi)。所用電壓放大器就是高輸入阻抗的比例放大器。電荷放大器以電容作負(fù)反饋，使用中基本不受電纜電容的影響。 從壓電式傳感器的力學(xué)模型看，它具有低通特性，原可測(cè)量極低頻的振動(dòng)。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前大部分壓電式加速度計(jì)在殼體內(nèi)都集成放大器，由它來完成阻抗變換的功能。一般采用 2 線制，即用 2 根電纜給傳感器供給 2～10 mA 的恒流電源，而輸出信號(hào)也由這 2 根電纜輸出，大大方便了現(xiàn)場(chǎng)的接線。同樣，這種傳感器也全部實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置，具有替換磁電式速度傳感器的趨向。梁上有四個(gè)通過硼第三章 三軸加速度傳感器15離子注入形成的阻值完全相同的壓敏電阻，則電阻率發(fā)生變化。而采用恒流源供電，可以有效的消除溫度和擴(kuò)散電阻不均勻所帶來的影響。 飛思卡爾開發(fā)的基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的三軸向低重力加速計(jì)MMA7260Q，專門面向便攜式消費(fèi)者電子產(chǎn)品。它的 3 μA 睡眠模式、500 μA 低運(yùn)行電流、 ms 的快速啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間及 6 mm6 mm 的小巧包裝等其它特性更使圍繞 MMA7260Q 的設(shè)計(jì)活動(dòng)輕松方便、經(jīng)濟(jì)高效。它的封裝尺寸很小，只需較小的板卡空間，另外還提供快速啟動(dòng)和休眠模式，這些特性使 MMA7260Q 成為采用電池供電的電子產(chǎn)品的理想之選，包括 PDA、手機(jī)、3D 游戲和數(shù)碼相機(jī)等。 三星電子發(fā)布的兩款數(shù)字音頻播放器（YHJ70 和 YPT8）中采用了這種傳感器。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文16YHJ70 采用這種傳感器，實(shí)現(xiàn)了通過傾斜和自由下落檢測(cè)來滾動(dòng)菜單的功能。全方位感知 由于 MMA7260Q 傳感器能在三個(gè)軸向上靈敏地準(zhǔn)確測(cè)量到低重力水平的墜落、傾斜、移動(dòng)、放置、震動(dòng)和搖擺，各個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)工程師都能得以致用。 典型應(yīng)用 墜落檢測(cè)、墜落日志、HDD 保護(hù)、MP3 播放器、 、便攜電子產(chǎn)品、用于擔(dān)保的記錄、電子羅盤、人類環(huán)境學(xué)工具、游戲、圖像穩(wěn)定性、物理療法、文本滾動(dòng)、三維動(dòng)態(tài)撥打、計(jì)步器、機(jī)器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備、防盜設(shè)備、車/人導(dǎo)航、GPS 導(dǎo)航推測(cè)、黑匣子 /時(shí)間記錄器、裝運(yùn)/ 處理監(jiān)控器、點(diǎn)擊靜音（Tap to mute） 、聲學(xué)、設(shè)備平衡 /監(jiān)控、軸承磨損監(jiān)控、地震監(jiān)控、智能電機(jī)維護(hù)。除了使用 MMA7269Q 傳感器的加速器解決方案外，我們的參照設(shè)計(jì)工具包還包括一個(gè) MCU、一個(gè) SCI 接口、一個(gè)按鈕、piezohorn 和一個(gè)帶有應(yīng)用代碼的串口連接及軟件。 MMA7260Q 的特性1）XYZ ：在一個(gè)設(shè)備中提供三軸向檢測(cè)靈敏度；2）可選靈敏度： g、2 g、4 g 和 6 g；3）低功耗：500 μA；4）休眠模式：3 μA，是電池供電的手持電子產(chǎn)品的理想之選；第四章 信號(hào)傳輸17 5）低壓運(yùn)行： V~ V； 6）快速啟動(dòng)：1 ms； 7）低噪音：達(dá)到更高的分辨率、更高的精確度； 8）封裝：16 針腳 6 mm*6 mm * mm 無(wú)針腳型方體扁平封裝（QFN） ； 9）參考設(shè)計(jì)（RD3112MMA7260Q ）已經(jīng)推出； 10）評(píng)估板（KIT3109MMA7260Q）已經(jīng)推出。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文18第四章 信號(hào)傳輸 引言跌倒報(bào)警必須及時(shí)送達(dá)救助中心才能夠保證救助的有效性，報(bào)警信息的及時(shí)發(fā)布要求包含兩層含義：其一是報(bào)警信息不會(huì)因?yàn)榈固綔y(cè)儀佩戴者的行動(dòng)和所處的位置受到影響；其二，發(fā)布的報(bào)警信息中應(yīng)該包括佩戴者跌倒的地理位置內(nèi)容，這樣才能保證跌倒者得到有效救助。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)和成本方面考慮，選擇CDMA通信方式更加適合跌倒探測(cè)器設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)跌倒動(dòng)作時(shí)。2）報(bào)警控制機(jī)制，使用者可以根據(jù)自己的身體狀況選擇是否報(bào)警，當(dāng)使用者已無(wú)法控制自己行為時(shí)，本產(chǎn)品能夠保證自動(dòng)實(shí)施報(bào)警。 4）空間定位，在實(shí)施跌倒報(bào)警時(shí)，應(yīng)為報(bào)警信息接收方提供報(bào)警地點(diǎn)的空間定位信息，保證有效救助及時(shí)到達(dá)。 6）供電采用鋰電池。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)跌倒探測(cè)器的需求分析，具體的實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)采用如圖41所示的架構(gòu)。液晶緩存M C U加速度傳感器C D M A 模塊按鍵系統(tǒng)電源圖 41 系統(tǒng)框架 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)圍繞MCU展開，產(chǎn)品采用MC9S08QG8芯片，如何充分利用芯片資源，妥善完成產(chǎn)品的各項(xiàng)任務(wù)處理，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。MC9S08QG8芯片的PA 腳為復(fù)用通道，可根據(jù)需要設(shè)置為I/O、鍵盤中斷或A/D采樣通道。 MCU 外圍電路 本設(shè)計(jì)中，MCU外圍電路包括電源與時(shí)鐘、數(shù)據(jù)緩存和按鍵電路三部分完成，下面分別描述。根據(jù)所選用器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，各組件對(duì)供電要求如圖42所示。其中，主要數(shù)字電路部分——包括MCU及其外圍電路部分要求提供 的工作電壓；而在無(wú)線通信模塊中，針對(duì)讀取入網(wǎng)SIM卡部件電路要求3V 的供電電壓，CDMA 。MC9S08QG8自帶時(shí)鐘模塊（ICS ），為了降低功耗和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)通過軟件設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘的上電穩(wěn)定工作，故在硬件電路設(shè)計(jì)中不需作過多的考慮。在本設(shè)計(jì)中，采用Holtek 公司的HT24LC16竄行EEPROM作為數(shù)據(jù)緩存。數(shù)據(jù)寫滿后，MCU自動(dòng)將地址重置，從首地址開始覆蓋寫入新的數(shù)據(jù)。3）按鍵電路報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警取消、計(jì)步器啟動(dòng)、計(jì)步器暫停、計(jì)數(shù)清零以及無(wú)線通信第四章 信號(hào)傳輸21中接收方號(hào)碼的設(shè)置，都要求跌倒探測(cè)儀具有用戶輸入的接口，設(shè)計(jì)中采用按鍵實(shí)現(xiàn)。 液晶顯示 本設(shè)計(jì)采用5位7段碼液晶屏，計(jì)步器顯示計(jì)數(shù)和報(bào)警接受方電話號(hào)碼輸入都是通過該液晶屏提供給使用者確認(rèn)。 HT1621為I 2CJI接口，MCU可通過內(nèi)部I 2C控制模塊傳輸指令和數(shù)據(jù)給該芯片。 通信模塊本設(shè)計(jì)采用AnyData公司的DTGS800b型OEM模塊。另外該模塊可收發(fā)短信、集成 GpsOne技術(shù)，無(wú)須添加其他組件即可得到地理定位信息，而且廠家技術(shù)支持非常完善，其各項(xiàng)功能配置非常適合跌倒探測(cè)器的需求描述。本設(shè)計(jì)中通過模塊的設(shè)計(jì)如圖43所示。由于該模塊要求7信號(hào)的RS232接口，而MCU自帶SCI不提供該種通信方式，故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用I/O口經(jīng)行軟件模擬其他的控制信號(hào)：CTS 、RFR和DTR。 端口分配 由于本設(shè)計(jì)采用MC9S08QG8單片機(jī)僅能提供最多14個(gè)I/O端口，根本無(wú)法滿足控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的信號(hào)數(shù)量要求，故在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各管腳的使用和分配進(jìn)行了專門的部署，如圖44所示。實(shí)現(xiàn)了端口的復(fù)用。EEPROM和液晶驅(qū)動(dòng)組件的存取采用I 2C接口，本設(shè)計(jì)中將使用MC9S08QG8的I 2C模塊經(jīng)行硬件控制，通過地址選擇實(shí)現(xiàn)不同組件間的切換。在跌倒探測(cè)器的軟件設(shè)計(jì)中，由跌倒探測(cè)器的軟件中，為了更好地利用和分配MCU的資源，采用了事務(wù)處理和狀態(tài)機(jī)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。對(duì)用戶來說，佩戴正常工作的跌倒探測(cè)儀將能夠得到這些服務(wù)，而對(duì)MCU來說，每項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)過程都是它將要處理的一項(xiàng)事務(wù)。首先將每項(xiàng)事務(wù)執(zhí)行的操作明確，確定每種操作的優(yōu)先級(jí)、相互關(guān)系和對(duì)資源的要求，然后在主循環(huán)中設(shè)置各種操作的啟動(dòng)機(jī)制，從總體上看，這些事務(wù)在主循環(huán)中并行地得到實(shí)現(xiàn)。江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文24計(jì)步器跌倒檢測(cè)報(bào)警處理無(wú)線通信控制主循環(huán)圖 46 事務(wù)處理的調(diào)用關(guān)系 針對(duì)某些項(xiàng)事務(wù)處理的實(shí)現(xiàn)，在軟件設(shè)計(jì)中采用了狀態(tài)機(jī)的方法以確保整個(gè)任務(wù)能夠順暢而正確地得以實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)初始化工作主要由MCU完成，包括各種配置寄存器的設(shè)置、液晶初始化指令和存儲(chǔ)緩沖區(qū)的設(shè)置，初始化工作將保證系統(tǒng)各功能組件能夠在上電后正常啟動(dòng)。2）液晶初始化通過指令初始化液晶驅(qū)動(dòng)控制芯片HT1621B，完成液晶顯示器的初始化。而在跌倒探第四章 信號(hào)傳輸25測(cè)器運(yùn)行過程中，MCU持續(xù)采集加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，因此要為數(shù)據(jù)分析預(yù)先開辟好緩存區(qū)。 需要使用者經(jīng)行確認(rèn)的系統(tǒng)信息的設(shè)定，是指跌倒探測(cè)器報(bào)警信息的接收方可以根據(jù)實(shí)際情況由使用者進(jìn)行設(shè)定，例如親屬的移動(dòng)電話或急救中心的固定座機(jī)（要求能夠接收短信）。 按鍵功能 按鍵功能在軟件設(shè)計(jì)中單獨(dú)提出是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)受限于MCU端口數(shù)量，無(wú)法按照預(yù)先設(shè)計(jì)的人機(jī)交互需求安排足夠端口作為鍵盤掃描之用?！癆lam”鍵（啟動(dòng)報(bào)警接收方號(hào)碼輸入、手機(jī)報(bào)警）：跌倒探測(cè)器一般工作模式下，長(zhǎng)按（超過2秒）“Alam”鍵，啟動(dòng)報(bào)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(cè)器一般工作模式下，按“Alam”鍵，跌倒探測(cè)器進(jìn)入設(shè)置報(bào)警接收方號(hào)碼狀態(tài)，配合“Alter ”鍵實(shí)現(xiàn)號(hào)碼輸入；跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時(shí)，按 “Alam”鍵，直接發(fā)布報(bào)警信息，然后關(guān)閉蜂鳴器；“Alter”鍵（計(jì)步器啟動(dòng)、暫停、清零、取消報(bào)警、設(shè)置報(bào)警接收方號(hào)碼）：跌倒探測(cè)器一般工作模式下，按“Alter” 鍵在計(jì)步器啟動(dòng)、暫停和清零三項(xiàng)功能之間切換；跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警接收方號(hào)碼輸入狀態(tài)時(shí)，“Alter”鍵執(zhí)行液晶顯示的數(shù)字加1的操作，數(shù)字從0~9循環(huán)；跌倒探測(cè)器進(jìn)入報(bào)警處理狀態(tài)（蜂鳴器beep ）時(shí)，按 “Alter”鍵取消報(bào)警。 計(jì)步器 MCU始終在分析佩戴者身體姿態(tài)的信息，因此可以將佩戴者的行走動(dòng)作分江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文26析作為一項(xiàng)附屬結(jié)果輸出，從而使跌倒探測(cè)器還具有了計(jì)步器的功能。由于在實(shí)際使用過程中，身體隨邁步動(dòng)作產(chǎn)生相應(yīng)的晃動(dòng)同樣會(huì)引起加速度傳感器在三個(gè)正交坐標(biāo)軸方向上的輸出，因此在設(shè)計(jì)檢測(cè)算法時(shí)應(yīng)設(shè)定合適的加速度閥值。計(jì)步器實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖47。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(shí)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(chǎn)生的跌倒占20% ，轉(zhuǎn)身或登高取物過程發(fā)生的跌倒占24%，上下床或座椅時(shí)發(fā)生的跌倒占13% ，從事高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)過程中出現(xiàn)的意外跌倒占12%。雖然有一部分跌倒動(dòng)作可能發(fā)生人體斜靠在其它支撐物上的情況，但是綜合考慮跌倒探測(cè)器的使用背景和環(huán)境，應(yīng)該可以說，危險(xiǎn)的或者可能已產(chǎn)生較嚴(yán)重后果的跌倒發(fā)生后，人體通常處于水平狀態(tài)，要求跌倒探測(cè)器都能夠檢測(cè)到并實(shí)施報(bào)警處理機(jī)制。跌倒檢測(cè)的算法狀態(tài)機(jī)如圖48所示，跌倒檢測(cè)算法描述如下：1） 主循環(huán)等待，監(jiān)測(cè)Z軸加速度變化，如果超過閥值，進(jìn)入下一步；第四章 信號(hào)傳輸272） 等待加速度恢復(fù)到正常范圍內(nèi)，進(jìn)入下一步；3） 再設(shè)置延遲10秒，等待佩戴者狀態(tài)穩(wěn)定；4） 數(shù)據(jù)分析，如果發(fā)現(xiàn)佩戴者身體水平，認(rèn)為發(fā)生跌倒?fàn)顩r，觸發(fā)報(bào)警處理。跌倒探測(cè)器檢測(cè)到跌倒發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)必須能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地將報(bào)警信息發(fā)布出去，才能保證跌倒者獲得救助。 針對(duì)上面提到的幾種情況，報(bào)警處理的軟件設(shè)計(jì)將加以區(qū)分對(duì)待： 檢測(cè)到跌倒后，系統(tǒng)啟動(dòng)30S的倒計(jì)時(shí)器，并打開蜂鳴器，每3S 響一次，如果沒有收到任何輸入，30S結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)布報(bào)警信息； 進(jìn)入30S倒計(jì)時(shí)后，蜂鳴器（beep ），系統(tǒng)可以響應(yīng)用戶輸入，跌倒探測(cè)器的兩個(gè)按鍵分別設(shè)置為“手動(dòng)報(bào)警”和“取消報(bào)警”的功能，如果用戶按“手動(dòng)報(bào)警”鍵，系統(tǒng)發(fā)布報(bào)警信息； 如果用戶按“取消”鍵，系統(tǒng)關(guān)閉30S倒計(jì)時(shí)和蜂鳴器，不作任何處理，直接返回計(jì)步器和跌倒檢測(cè)狀態(tài)。 DTGS800b型CDMA模塊提供RS232 接口，MCU可以根據(jù)需要通過AT命令實(shí)施對(duì)通信過程的控制。 按照上述方案設(shè)計(jì)完成的跌倒探測(cè)器樣機(jī)線路板如圖410所示，圖 410 樣機(jī)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。第五章 基于加速度傳感器的電子筆數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)29江 蘇 大 學(xué) 本 科 學(xué) 位 論 文30第五章 基于加速度傳感器的電子筆數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 引言 通用串行總線 USB (Universal Serial Bus)，是一種應(yīng)用在 PC 領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，該總線接口具有安裝方便、高帶寬、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)。利用 LabVIEW 編制的電子筆數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，把 LabVIEW 語(yǔ)言和 USB 總線緊密結(jié)合起來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成兩者的優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)總體框架圖　　系統(tǒng)總體框圖如圖 51 所示，MCU 采用美國(guó)德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的一種 16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器 MSP430F16