基于3軸加速度計ADXL345的全功能計步器設(shè)計

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1、基于3軸加速度計ADXL345的全功能計步器設(shè)計 基于3軸加速度計ADXL345的全功能計步器設(shè)計 摘 要 計步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以激勵人們挑戰(zhàn)自己，增強體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計利用加重的機械開關(guān)檢測步伐，并帶有一個簡單的計數(shù)器?；蝿舆@些裝置時，可以聽到有一個金屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動敲擊擋塊。 計步器功能可以根據(jù)計算人的運動情況來分析人體的健康狀況。而人的運動情況可以通過很多特性來進(jìn)行分析。比如人在運動時會產(chǎn)生加速度。本文介紹了利用人運動時產(chǎn)生加速度變化來檢測步數(shù)的計步器實現(xiàn)方案，利用具有體積小，功耗低，三軸高精度加速度傳感器ADXL

2、345，芯片內(nèi)部即可把數(shù)據(jù)采集來的數(shù)據(jù)處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，采集到加速度數(shù)據(jù)以后加以適當(dāng)?shù)乃惴ň涂梢詫崿F(xiàn)計步功能。本文設(shè)計了一款基于加速度傳感器ADXL345的計步器。詳細(xì)介紹了計步器的軟件算法的實同時芯片中還集成了SPI和IC接口，可以方便地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒?。該系統(tǒng)設(shè)計簡單，實現(xiàn)方便。該芯片也可以擴展到其它需要測量加速度的應(yīng)用場合，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字：計步器 加速度傳感器 ADXL345 低功耗 Based on three accelerometer ADXL345 company-wide f

3、unctional pedometer design Abstract Pedometer is a popular daily exercise, can inspire people progress monitors challenge yourself, enhanced physique, help thin body. Early design of mechanical switch detection using aggravated with a simple steps, and the counter. When shaking these devices,

4、can hear a metal ball slide back and forth, or a pendulum swings around percussion block pieces. Pedometer function can according to the calculated a peoples movement situation to analyze a healthy condition of body. But the persons movements can pass a lot of properties for analysis. Such as peop

5、le in motion produces acceleration. This paper describes the use of people move to detect changes generated when the acceleration of steps, utilization of implementation scheme pedometer, small size, low power consumption, high ADXL345 three axis acceleration sensor, chip can put the data acquisitio

6、n to internal data processing for the digital data acquisition to acceleration data, after appropriate algorithm can achieve plan step function. This paper introduces the design of a paragraph of the pedometer ADXL345 based on acceleration sensor. Introduces the software algorithm real pedometer whi

7、le the SPI has integrated chip IC interface, and I can be conveniently data transmission to the main control chip. The system is simple in design, realization convenient. The chip can also extend to other need to measure the applications, the acceleration is very broad application prospect. KEY WO

8、RDS pedometer acceleration sensor ADXL345 low power consumption III 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 1 緒 論 1 2 課題研究背景及意義 2 2.1 光電計步器 2 2.2基于射頻技術(shù)的短跑訓(xùn)練計步器 3 2.3 基于加速度傳感器的計步器 5 3 ADXL3XX系列產(chǎn)品簡介及本次設(shè)計方案的提出 6 3.1 ADXL335, ADXL345和 ADXL346三軸加速度計的區(qū)別 6 3.1.1 ADXL335的簡介、特點及功能框圖 7 3.1.2 ADXL346的簡介

9、、特點及功能框圖 8 3.1.3 ADXL345的簡介、特點及功能框圖 10 3.2 本次系統(tǒng)總體設(shè)計方案的提出 13 3.2.1 ADXL345中斷及寄存器功能分析.................................................................................13 3.2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案..................................................................................................

10、...............15 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計各模塊電路 16 4.1 傳感器電路連接模塊 16 4.1.1 ADXL345的兩種串行通信模式簡介…………………………………………16 4.1.2 傳感器模塊連接……………………………………………………….................18 4.2 微處理器模塊 19 4.3 EEPROM模塊 22 4.4 顯示模塊 23 5 軟件設(shè)計 25 5.1 軟件總體設(shè)計 25 5.2 算法的實現(xiàn) 26 6 結(jié)論 32 致 謝 33 參考文獻(xiàn) 34 附錄1 加速度計步器ADX

11、L345簡介 36 附錄2 整機電路圖 38 附錄3 源程序 39 1 緒 論 隨著社會的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平日漸提高，人們也越來越關(guān)注自己的健康。計步器作為一種測量儀器，可以計算行走的步數(shù)和消耗的能量，所以人們可以定量的制定運動方案來健身，并根據(jù)運行情況來分析人體的健康狀況，因而越發(fā)流行。手持式的電子計步器是適應(yīng)市場需求的設(shè)計，使用起來簡單方便。 計步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以激勵人們挑戰(zhàn)自己，增強體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計利用加重的機械開關(guān)檢測步伐，并帶有一個簡單的計數(shù)器?；蝿舆@些裝置時，可以聽到有一個金屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動敲擊擋塊。電

12、子計步器主要由振動傳感器和電子計數(shù)器組成。人在步行時重心都要有一點上下移動。以腰部的上下位移最為明顯，所以記步器掛在腰帶上最為適宜。所謂的振動傳感器其實就是一個平衡錘在上下振動時平衡被破壞使一個觸點能出現(xiàn)通/斷動作，由電子計數(shù)器記錄并顯示就完成了主要功能，其他的熱量消耗，路程換算均由電路完成。計步器中一般采用一種加速度計來感受外界的震動。常用的加速度計原理如下：在一段塑料管中密封著一小塊磁鐵，管外纏繞著線圈，當(dāng)塑料管運動時，磁鐵由于慣性在管中反向運動，切割線圈，由于電磁感應(yīng)，線圈中產(chǎn)生電流，人體運動時，上下起伏的加速度近似為正弦過程，線圈的輸出電流也是正弦波，測量正弦波的頻率就可以得出運動的步

13、數(shù)，再計算的出速度，距離，和消耗卡路里。 本文介紹了利用人運動時產(chǎn)生的加速度變化來檢測步數(shù)的計步器實現(xiàn)方案，利用具有體積小，功耗低，三軸高精度加速度傳感器ADXL345，芯片內(nèi)部即可把數(shù)據(jù)采集來的數(shù)據(jù)處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同時芯片中還集成了SPI和IC接口，可以方便地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫匦酒?。該系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計簡單，實現(xiàn)方便。該芯片也可以擴展到其它需要測量加速度的應(yīng)用場合，具有廣闊的應(yīng)用場景。 2 課題研究背景及意義 目前隨著數(shù)字化時代的到來，越來越多的手持設(shè)備，例如手機、MP3和PMP等等，都要增加健康或者運動的功能。計步器作為一種測量儀器，可以計算行走的步數(shù)和消耗的能量

14、，就成為在這些手持設(shè)備上增加的功能之一。 計步器的構(gòu)成有機械式和電子式兩種。機械式的計步器利用人體行走時的振動引起計步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動來產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過判斷電子脈沖的方法來達(dá)到計步的功能。這種機械式方式的成本比較低，但是它的準(zhǔn)確性和靈敏度很低。 2.1 光電計步器 在本設(shè)計中，提出了一種監(jiān)測手術(shù)后病人運動的數(shù)字光電計步器開發(fā)的介紹。經(jīng)過整形或心血管手術(shù)，病人運動必須受到限制，然而，由醫(yī)生決定的大量的日?；顒邮潜匾?。步計數(shù)器為計算定量檢測的病人步數(shù)開發(fā)的，它是利用在病人的鞋上安裝高性能的光電發(fā)射器和一個高靈敏度光電接收器[1]。當(dāng)計數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的步驟（每周或每天

15、）設(shè)定值時，病人是一個警告，要他們停止進(jìn)一步的警告聲音或視覺活動。 光電學(xué)的發(fā)展提供了高效率的單色光源（發(fā)光二極管 - 發(fā)光二極管）和高度敏感的探測器設(shè)計。這些設(shè)備的制造提供了光電傳感方法和研究方法的新嘗試和新的發(fā)展。經(jīng)過整形或心血管手術(shù)，一些病人運動受到限制，每日步行活動一定的數(shù)額?；谶@個目的，我們需要一個簡單的計數(shù)器?，F(xiàn)在對步數(shù)計數(shù)的方法有很多種，其中一種是使用水銀開關(guān)來檢測運動。該系統(tǒng)采用開關(guān)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在接觸中增加了錯誤的概率計算，因為該系統(tǒng)可能在病人運動開始前計數(shù)。另一個不利之處是，隨著時間的接觸，開關(guān)失去彈性。 計步器必須有小尺寸，必須可編程的，具有成本效益，以及抵抗外部

16、的干擾。光電系統(tǒng)會受到外部影響影響，如陽光，一些外部因素，光照等。然而，減少這些外部影響的方法已被開發(fā)并經(jīng)常使用。計步器應(yīng)該在達(dá)到適當(dāng)?shù)闹禃r，達(dá)到報警，并且應(yīng)該不會影響其他電子設(shè)備。光電器件滿足這些條件，光電器件的能量消耗低，可在小尺寸設(shè)計，不影響其他設(shè)備。由此提出了一種監(jiān)測手術(shù)后病人運動的數(shù)字光電計步器開發(fā)的介紹。經(jīng)過整形或心血管手術(shù)，病人運動必須受到限制，然而，由醫(yī)生決定的大量的日常活動是必要的。步計數(shù)器為計算定量檢測的病人步數(shù)開發(fā)的，它是利用在病人的鞋上安裝高性能的光電發(fā)射器和一個高靈敏度光電接收器。當(dāng)計數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的步驟（每周或每天）設(shè)定值時，病人是一個警告，要他們停止進(jìn)一步的警告聲

17、音或視覺活動。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含一個光源和光探測器部分。光源部分包括一個紅外LED和一個脈沖的來源。該探測器的部分包括一個光電二極管，其頻譜類似的LED。放大器連接到光電探測器的輸出。擴增信號是由一個計數(shù)器上的微處理器輸入。 下面是光電計步器原理圖。 圖2.1 光電計步器原理圖 該系統(tǒng)安裝在病人的鞋上，不限制病人的行動。為系統(tǒng)提供的能源是來自一個電池，為節(jié)約能源消費，設(shè)計為當(dāng)病人穿上鞋子時開始工作。電源開關(guān)被放置在鞋底。脈沖間隔時間選擇為5毫秒，分別減少了電路的平均電流。該探測器連接了一個可編程的數(shù)字電路。數(shù)字電路包含一個微處理器和一個液

18、晶顯示屏。需要計的步數(shù)可以使用SET和上下按鈕來顯示，當(dāng)計數(shù)達(dá)到當(dāng)前步數(shù)的設(shè)定值時，蜂鳴器報警，并給出讓他的病人停止的信號。這一計步器也可以用來評價運動員的表現(xiàn)，即在一個確定的評估期間，足球運動員的演習(xí)。在這種情況下，發(fā)射接收器成對對安裝在運動員的鞋底，步數(shù)的計數(shù)是由計算機控制。 2.2基于射頻技術(shù)的短跑訓(xùn)練計步器 設(shè)計了一種用于短跑訓(xùn)練中計量步頻和步長的計步器[20-22]。該系統(tǒng)基于射頻技術(shù)，由閱讀器和射頻卡兩部分組成。射頻卡采用 MSP430超低功耗單片機實現(xiàn)計步數(shù)據(jù) 的處理。閱讀器應(yīng)用 了橋式推挽驅(qū)動技 術(shù) ，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離 的可靠 信息傳輸 實驗表 明，該系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠

19、性，用于某校體育訓(xùn)練，對訓(xùn)練成績的提高有明顯的效果。該計步器是一種用于短跑訓(xùn)練中計量步頻和步長的計步器。該系統(tǒng)基于射頻技術(shù),由閱讀器和射頻卡兩部分組成。結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示 顯示器 放大電路 檢波電路 耦合電路 單 片 機 蜂鳴器 分頻電路 振蕩電路 驅(qū)動電路 上拉機 圖 2.1閱讀器結(jié)構(gòu)框圖 水銀開關(guān) 單片機 脈沖驅(qū)動 耦合電路 圖 2.2 射頻卡結(jié)構(gòu)框圖 射頻卡采用MSP430超低功耗單片機實現(xiàn)計步數(shù)據(jù)的處理。閱讀器應(yīng)用了橋式推挽驅(qū)動技術(shù),實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的可靠信息傳輸。實驗表明,該系統(tǒng)具有較高的安全性和可靠性,用于某校體育訓(xùn)練,對訓(xùn)練

20、成績的提高有明顯的效果。 射頻卡具有體積小、質(zhì)量輕的特點。它裝在運動員的跑鞋上，用來計量運動員的步數(shù)。閱讀器裝在跑道一側(cè)，當(dāng)運動員從閱讀器旁通過時，能自動將運動員的實時步數(shù)加以記錄，在跑道上可以同時安裝多個閱讀器，這樣可以將運動員在各個不同階段的步長和步頻記錄下來。單片機通過軟件在每個卡中設(shè)置一個唯一的編碼 (即卡號)，它相當(dāng)于運動員身份證。同時與單片機相連的還有一個水銀開關(guān)，當(dāng)運動員每走一步時，水銀開關(guān)通斷一次，單片機對水銀開關(guān)的脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而將運動員的步數(shù)記錄下來。當(dāng)射頻卡靠近到閱讀器時，它接收到閱讀器耦合電路的無線電波能量，經(jīng)整流濾波后對射頻卡供電。同時給單片機中斷信號，單片機將卡

21、號和記錄的步數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，然后通過脈沖驅(qū)動電路將編碼信號發(fā)出。脈沖驅(qū)動電路根據(jù)單片機送來 的編碼信號，控制并接在射頻卡耦合 電路兩端的負(fù)載電阻，當(dāng)高電平時電阻接入耦合電路，低電平時，電阻不接人耦合電路。根據(jù)變壓器原理，當(dāng)負(fù)載變化時變壓器 的原副電壓電流均將發(fā)生變化，從而將信號傳遞給閱讀器。 本計步器采用MSP430超低功耗單片機和橋式推挽驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)低功耗和遠(yuǎn)距離的信息傳輸，為運動員的動作設(shè)計和體力分配提供科學(xué)依據(jù)。 2.3 基于加速度傳感器的計步器 隨著手機功能的逐漸增多，在手機上實現(xiàn)一些與健康有關(guān)的功能也已成為一種熱點，例如計步器功能可以根據(jù)計算人的運動情況來分析

22、人體的健康狀況。比如人在運動時會產(chǎn)生加速度，因此采集到加速度數(shù)據(jù)以后加以適當(dāng)?shù)乃惴ň涂梢詫崿F(xiàn)計步功能。這是一款基于加速度傳感器ADXL340的計步器[3-4]。該計步器系統(tǒng)上還具有USB接口，可與PC機進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。 本文將以計步器為例，介紹了計步器的硬件設(shè)計和軟件算法的實現(xiàn)。該計步器系統(tǒng)采用ADI的ADuc7026作為主控芯片，采用ADXL340來采集加速度數(shù)據(jù)，最后通過USB接口與上位機進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。 CY7C68013是CYPRESS公司在2000年11月推出的世界第1塊USB2.0功能設(shè)備芯片，完全適用于USB2.0，并向下兼容USBl.1，其內(nèi)置增強型805l微控制芯片口

23、。它提供了一個基于RAM的軟解決方案，允許無限制地配置與升級。另外，CY7C68013使用的是智能型的SIE（串行行接口引擎)，能夠執(zhí)行所有的USB枚舉過程，通過預(yù)設(shè)的端點和可選的設(shè)置創(chuàng)建一個缺省的USB設(shè)備，這樣，就可以將USB的固件存儲在主機上，而不必存入USB芯片中，大大減輕了固件的工作，簡化了固件的編程。集成IC兼容的控制模塊，在USB設(shè)備接入主機后，USB是根據(jù)外部IC總線接口上的一個串行EPROM中進(jìn)行配置的。硬件設(shè)計框圖如下： 電源6V 16個LED 5VLDO 3.3VLDO CY7C68013 加速度傳感器ADXL340 LCD液晶顯示器 鍵盤 微控制器

24、 ADUC7026 USB Interface IC 圖2.3 硬件模塊圖 圖2.3 硬件模塊圖 3 ADXL3XX系列產(chǎn)品簡介及本次設(shè)計方案的提出 如今，先進(jìn)的計步器利用MEMS（微機電系統(tǒng)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來精確檢測真實的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點，因此越來越多的便攜式消費電子設(shè)備開始集成計步器功能，如音樂播放器和手機等

25、。 加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過程中作用在物體上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。加速度傳感器的工作原理：敏感元件將測點的加速度信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過信號調(diào)理電路改善信號的信噪比，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，最后送入計算機，計算機再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和顯示。當(dāng)傳感元件以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度成正比a的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個電阻作為

26、電橋的一個橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對加速度的測量。 為了達(dá)到準(zhǔn)確性，在運動過程中，分析了3個不同方向的加速度數(shù)據(jù)：前向、縱向和側(cè)向。利用人運動時產(chǎn)生加速度變化來檢測步數(shù)的計步器，在實測時計步器的精度達(dá)到96%，已經(jīng)比較不錯，能較好的實現(xiàn)計步功能。而且體積小，工作電流只有1mA-1.5mA，低功耗，非常適合應(yīng)用于手持式設(shè)備。這種基于三軸加速度計的計步器在人們?nèi)粘Ｉ钪锌梢院唵畏奖愕膽?yīng)用。 3.1 ADXL335, ADXL345和 ADXL346三軸加速度計的區(qū)別 加速度計由檢測質(zhì)量（也稱敏感質(zhì)量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測質(zhì)量受支承的約束只能沿一條軸線移

27、動，這個軸常稱為輸入軸或敏感軸。當(dāng)儀表殼體隨著運載體沿敏感軸方向作加速運動時，根據(jù)牛頓定律，具有一定慣性的檢測質(zhì)量力圖保持其原來的運動狀態(tài)不變。它與殼體之間將產(chǎn)生相對運動，使彈簧變形，于是檢測質(zhì)量在彈簧力的作用下隨之加速運動。當(dāng)彈簧力與檢測質(zhì)量加速運動時產(chǎn)生的慣性力相平衡時，檢測質(zhì)量與殼體之間便不再有相對運動，這時彈簧的變形反映被測加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號轉(zhuǎn)換為電信號，以供輸出。加速度計本質(zhì)上是一個一自由度的振蕩系統(tǒng)，須采用阻尼器來改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。分類和工作原理加速度計的類型較多：按檢測質(zhì)量的位移方式分類有線性加速度計(檢測質(zhì)量作線位移)和擺式加速度計（檢測質(zhì)量繞支

28、承軸轉(zhuǎn)動）；按支承方式分類有寶石支承、撓性支承、氣浮、液浮、磁懸浮和靜電懸浮等；按測量系統(tǒng)的組成形式分類有開環(huán)式和閉環(huán)式；按工作原理分類有振弦式、振梁式和擺式積分陀螺加速度計等；按輸入軸數(shù)目分類，有單軸、雙軸和三軸加速度計；按傳感元件分類，有壓電式、壓阻式和電位器式等。通常綜合幾種不同分類法的特點來命名一種加速度計。 美國Devices公司的ADXL系列芯片即為一個3軸（X軸、Y軸、Z軸）的加速度傳感器，傳感器可以檢測出三個標(biāo)軸的加速度變化，這3個軸正好可以分別代表人體運動時3個方向。ADI公司的3軸加速度計ADXL335, ADXL345和 ADXL346小巧纖薄，功耗極低，非常適合這種應(yīng)

29、用。 3.1.1 ADXL335的簡介、特點及功能框圖 ADXL335是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計,提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出,能以最小3 g的滿量程范圍測量加速度。它可以測量傾斜檢測應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度,以及運動、沖擊或振動導(dǎo)致的動態(tài)加速度。 用戶使用CX、CY和 CZ引腳上的電容 XOUT、YOUT和ZOUT選擇該加速度計的帶寬?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用選擇合適的帶寬,X軸和Y軸的帶寬范圍為0.5 Hz至1600 Hz,Z軸的帶寬范圍為0.5 Hz至550 Hz。ADXL335提供小尺寸、薄型、16引腳、4 mm 4 mm 1.45 mm塑料引腳架構(gòu)芯片級封裝(LFCS

30、P_LQ)。 ADXL335的 特點： （1） 三軸檢測。 （2） 小尺寸、薄型封裝 4 mm 4 mm 1.45 mm LFCSP。 （3）低功耗：350 μA（典型值）。 （4）單電源供電：1.8 V to 3.6 V。 （5）抗沖擊能力：10,000 g。 （6）出色的溫度穩(wěn)定性。 （7）通過各軸的一個電容調(diào)整相應(yīng)的帶寬。 （8）符合RoHS/WEEE無鉛要求。 ADXL335 功能框圖：

31、 圖3.1 ADXL335 功能框圖 圖3.2 ADXL335引腳圖 3.1.2 ADXL346的簡介、特點及功能框圖 ADXL346是一款在16 g感應(yīng)范圍下可實現(xiàn)高分辨率(13位)感應(yīng)的小尺寸、薄型、超低功耗的三軸加速度計。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)以16位二進(jìn)制補碼格式提供,可以通過SPI(三線制或四線制)或IC數(shù)字接口讀取。 ADXL346非常適合用于移動設(shè)備應(yīng)用。這款器件能夠測量在傾斜感應(yīng)應(yīng)用中的重力靜態(tài)加速度,也能夠測量由于運動或震動引起的動態(tài)加速度。它具有高分辨率(4 mg/LSB)特性,因此能夠分辨僅為0.25的傾角變化。 這款加速度計還提

32、供幾種特殊感應(yīng)功能。動態(tài)和靜態(tài)感應(yīng)功能可以檢測有無運動發(fā)生,以及在任何軸上的加速度是否超過用戶設(shè)置的水平。輕敲(tap)感應(yīng)功能可以檢測單次以及雙重輕敲的動作。自由落體的感應(yīng)可以檢測設(shè)備是否正在落下。這些功能可以映射到兩個中斷輸出引腳中的某個引腳上。這款加速計集成的32級先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器可用來存儲數(shù)據(jù),以將主處理器干預(yù)降至最低。4個方位和6個方位的感應(yīng)均可用于二維和三維應(yīng)用。低功耗模式可通過在極低的功耗下的閾值感應(yīng)和主動加速度測量,實現(xiàn)基于運動的智能電源管理。 ADXL346 特點如下： （1） ADXL346采用小尺寸、厚度為0.95mm的薄型封裝。 （2） 超低功耗：在VS

33、 = 1.8 V下25μA至145μA(典型值) （3） 根據(jù)帶寬自動調(diào)整功耗 （4） 用戶可選的分辨率：固定10位分辨率；全分辨率,分辨率隨感應(yīng)范圍增加,在 16g時分辨率高達(dá)13位(在整個感應(yīng)范圍內(nèi)保持4 mg/LSB的比例系數(shù)) （5） 32級輸出數(shù)據(jù)FIFO將主處理器負(fù)載降至最低 （6） 單次輕敲/兩次敲擊檢測 （7） 動態(tài)/靜態(tài)監(jiān)測 （8） 自由落體檢測 （9） 4個和6個方位感應(yīng) （10）電源和I/O電壓范圍：1.7 V至2.75 V ADXL346 功能框圖及引腳圖如3.3、圖3.4所示： 圖3.3 ADXL346 功能框圖

34、 圖3.4 ADXL346引腳圖 3.1.3 ADXL345的簡介、特點及功能框圖 ADXL345是一款超低功耗小巧纖薄的3軸加速計，可以對高達(dá)16g的加速度進(jìn)行高分辨率（13位）測量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補碼的形式，可通過SPI（3線或4線）或者IC數(shù)字接口訪問。 ADXL345非常適合移動設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜感測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以從運動或者振動中生成動態(tài)加速度。它的高分辨率（4mg/LSB）能夠分辨僅為0.25的傾角變化。 它提供一系列特殊的感測功能。動態(tài)和靜態(tài)感測功能可以檢測有無運動發(fā)生，以及在任何軸上的加速度是否超過用戶設(shè)置的水平。點擊感測功能可以檢

35、測單擊和雙擊動作。自由落體感測功能可以檢測該設(shè)備是否正在掉落。這些功能可以映射到中斷信號輸出的引腳上。一個集成的32級FIFO可用于儲存數(shù)據(jù)，從而最小化對主處理器的影響。 ADXL345的特點如下： （1） 超低功耗：Vs = 2.5V時（典型值），測量模式下低至23uA，待機模式下為0.1uA。 （2） 功耗隨帶寬自動按比例變化。 （3） 用戶可選的分辨率：10位固定分辨率；全分辨率，分辨率隨g范圍而提高，16g時高達(dá)13位（在所有范圍內(nèi)保持4mg/LSB的比例系數(shù)）。 （4） 正在申請專利的嵌入式存儲器管理系統(tǒng)采用FIFO技術(shù)，可將主機處理負(fù)荷降至最低。 （5） 單振/雙振檢

36、測。 （6） 活動/非活動監(jiān)控。 （7） 自由落體檢測。 （8） 電源電壓范圍：2.0V至3.6V。 （9） I/O電壓范圍：1.7V至Vs。 （10）SPI（3線和4線）和IC數(shù)字接口。 （11）靈活的中斷模式，可映射到任一中斷引腳。 （12）抗沖擊能力：10000g。 （13）無鉛/符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。 （14）小而?。?mm5mm1mm，LGA封裝。 低功耗模式使具有閾值感測和運動加速度測量功能的ADXL345智能功率管理的功耗極低。ADXL345采用14引腳塑料封裝，具有3mm 5mm 1mm的小巧纖薄的外形尺寸。 方向感應(yīng)器的實現(xiàn)靠的是iPhone的內(nèi)置加速計

37、。iPhone所采用的加速計是三軸加速計，分為X軸、Y軸和Z軸。這三個軸所構(gòu)成的立體空間足以偵測到你在iPhone上的各種動作。在實際應(yīng)用時通常是以這三個軸（或任意兩個軸）所構(gòu)成的角度來計算iPhone傾斜的角度，從而計算出重力加速度的值。 通過感知特定方向的慣性力總量，加速計可以測量出加速度和重力。iPhone的三軸加速計意味著它能夠檢測到三維空間中的運動或重力引力。因此，加速計不但可以指示握持電話的方式（或自動旋轉(zhuǎn)功能），而且如果電話放在桌子上的話，還可以指示電話的正面朝上還是朝下。ADXL345功能框圖如下： 圖3.5 ADXL345功能框圖 圖3.6 ADXL345引

38、腳圖 該器件提供多種特殊檢測功能?；顒雍头腔顒訖z測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測有無運動發(fā)生。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。這些功能可以獨立映射到兩個中斷輸出引腳中的一個。正在申請專利的集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個32級先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器，可用于存儲數(shù)據(jù)，從而將主機處理負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運動的智能電源管理，從而以極低的 功耗進(jìn)行閾值感測和運動加速度測量。 ADXL345采用3 mm 5 mm 1 mm，14引腳小型超薄塑料封裝。鑒于對成本及模擬輸出的考慮，

39、ADXL345加速度計更適合，因此，本次設(shè)計采用的是ADXL345三軸加速度計。 3.2 本次系統(tǒng)總體設(shè)計方案的提出 3.2.1 ADXL345中斷和寄存器功能分析 ADXL345豐富的功能是通過使用寄存器來實現(xiàn)的。這些豐富的寄存器。用以選擇數(shù)據(jù)格式、nF0工作模式、數(shù)字通信模式、節(jié)電模式、中斷使能以及修正各軸偏差等等。 ADXL345具有兩個可編程的中斷管腳：Int1和Int2。以及Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun，共計8個中斷源。每個中斷源可

40、以獨立地使能或禁用，還可以靈活地選擇是否映射到Int1或Int2中斷管腳。所有的功能都可以同時使用，只是某些功能可能需要公用中斷引腳。中斷功能通過Int_ENABLE寄存器地相應(yīng)位來選擇使能或禁用，通過INT_MAP寄存器地的相應(yīng)位來選擇映射到Int1管腳或Int2管腳。 中斷功能地定義如下： （1） Data_Ready – 當(dāng)有新的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，Data_Ready中斷置位；當(dāng)沒有新的數(shù)據(jù)時，Data_Ready中斷清除。 （2）Single_Tap –當(dāng)加速度超過一定門限（THRESH_TAPDUR）并且持續(xù)時間小于一定時間范圍（DUR）地時候，Single_Tap中斷置位。

41、（3）Double_Tap – 當(dāng)?shù)谝淮蜸ingle_Tap事件發(fā)生后在一定時間（LATENT）之后，并在一定時間（WINDOW）之內(nèi)，又發(fā)生第二次Single_Tap事件，Double _Tap中斷置位。 圖3.6給出了有效的Single_Tap中斷和Double _Tap中斷的示意圖。 圖3.6 Single_Tap中斷和Double _Tap中斷的示意圖 （4）Activity –當(dāng)加速度超過一定門限（THRESH_ACT）時，Activity中斷置位。 （5）Inactivity-當(dāng)加速度低于一定門限（THRESH_INACT）并且持續(xù)超過一定時

42、間（TIME_INACT）時，Inactivity中斷置位。TIME_INACT可以設(shè)定地最長時間為255s 。 需要指出的是，對于Activity和Inactivity中斷，用戶可以針對X、Y、Z軸來分別進(jìn)行使能或禁用。比如，可以只使能X軸的Activity中斷，而禁用Y軸和Z軸的Activity中斷。另外，對于Activity和Inactivity中斷，用戶還可以自由選擇DC coupled工作方式或者AC coupled工作方式。其區(qū)別在于，DC coupled工作方式下，每個采樣點地加速度值將直接與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來判斷是否發(fā)生中斷。A

43、C coupled工作方式下，新的采樣點將以之前的某個采樣點為參考，用兩個采樣點的差值與門限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來判斷是否發(fā)生中斷；AC coupled工作方式下的Activity檢測，是選擇檢測開始時的那一個采樣點作為參考，以后每個采樣點的加速度值都與參考點進(jìn)行比較。如果它們的差值超過門限（THRESH_ACT），則Activity中斷置位。ACcoupled工作方式下的Inctivity檢測，同樣要選擇一個參考點。如果新采樣點與參考點的加速度值超過門限（THRESH_INACT）參考點會被該采樣點更新。如果新采樣點與參考點的加速度差值小于門限（THR

44、ESH_INACT），并且持續(xù)超過一定時間 （TIME_INACT）則Inctivity置位。 （6）Free_Fall – 當(dāng)加速度值低于一定門限（THRESH_FF）并且持續(xù)超過一定時間（TIME_FF）時，F(xiàn)ree_Fall中斷置位。與Inactivity中斷的區(qū)別在于，F(xiàn)ree_Fall中斷主要用于對自由落體運動的檢測。因此，X、Y、Z軸總是同時被使能或禁用；其時間設(shè)定也比Inactivity中斷中要小很多，TIME_FF可以設(shè)定的最大值為1.28s；而且Free_Fall中斷只能是DCcoupled工作方式。 （7） Watermark – 當(dāng)FIFO里所存的采樣點超過一定點數(shù)

45、（SAMPLES）時，Watermark中斷置位。當(dāng)FIFO里的采樣點數(shù)小于該數(shù)值（SAMPLES）時，Watermark中斷自動清除。 需要指出的是，ADXL345的FIFO最多可以存儲32個采樣點（X、Y、Z三軸數(shù)值），且具有Bypass模式、普通FIFO模式、Stream模式和Trigger模式，一共4種工作模式。FIFO功能也是ADXL345的一個重要且十分有用的功能。但是本文后面給出的解決方案中沒有用到FIFO功能，所以，在此不做詳細(xì)介紹。 （8）Overrun – 當(dāng)有新采樣點更新了未被讀取的前次采樣點時，Overrun中斷置位。Overrun功能與FIFO的工作模式有關(guān)，當(dāng)F

46、IFO工作在Bypass模式下，如果有新采樣點更新了DATAX、DATAY和DATAZ寄存器里的數(shù)值，則Overrun中斷置位。當(dāng)FIFO工作在其它三種模式下，只有FIFO被存儲滿32點時，Overrun中斷才會置位。FIFO里的采樣點被讀取后，Over中斷自動清除。 3.2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計 如圖3.7所示，該計步器總共由加速度傳感器、、主控MCU、顯示模塊組成。傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，輸入單片機內(nèi)部，將數(shù)據(jù)處理后輸出液晶顯示，存入EEPROM存儲。內(nèi)部功能框圖如圖2所示．其基本工作流程為：首先由三軸敏感單元敏感3個方向加速度(嚴(yán)格意義上稱為比力)，然后通過電子感應(yīng)

47、器件將感應(yīng)到物理量模擬化．再通過A/D采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號．經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送往控制與中斷邏輯。在命令字的控制下通過串行I/O口與主設(shè)備交互。SDO、SDA、SCLK為加速度傳感器的三個方向的加速度輸出，RA0、RA1、RA2為單片機三個通用I/O輸入口，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后由液晶輸出，同時可以存入EEPROM。 SDO 加 速 SDA 度 傳 感 SCLK 器 ADXL345 微 處 理 器 PIC PIC 18F452 18F4 SCLK

48、 SDA RA0 N55110 顯示液晶 EEPRONM SCLK SDA RA2 RA1 圖3.7 計步器總體框圖 傳統(tǒng)的機械式的計步器利用人體行走時的振動引起計步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動來產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過判斷電子脈沖的方法來達(dá)到計步的功能。這種機械式方式的成本比較低，但是它的準(zhǔn)確性和靈敏度很低。 ADXL345是美國DI公司推盤的一款低成本、單芯片，三軸加速度傳感器。該微型電容式加速度傳感器融合了信號調(diào)理、單掇低通濾波器和灄度補償技本，并提供四種加速度范圍。ADXL345是一個三軸(X軸、Y軸和Z軸)模擬輸出的加速度傳感

49、器，正好可以作為垂直、前向和側(cè)向三個方向的傳感器。利用MEMS(微機電系統(tǒng))加速度傳感器制作工藝，很容易地和傳統(tǒng)的CMOS工藝結(jié)合起來，克服了機械式的準(zhǔn)確性和靈敏度低的缺點。 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計各模塊電路 4.1 傳感器電路連接模塊 加速度計時測量運載體線加速度的儀表。在飛行控制系統(tǒng)中，加速度計是重要的動態(tài)特性校正原件。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，高精度的加速度計是最基本的敏感原件之一。在各類飛行器的飛行試驗中，加速度計是研究飛行器顫振和疲勞壽命的重要工具。 ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技術(shù)的3軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有2, 4

50、, 8，16g可變的測量范圍；最高13bit分辨率；固定的4mg/LSB靈敏度；3mm*5mm*1mm超小封裝；40-145uA超低功耗；標(biāo)準(zhǔn)的IC或SPI數(shù)字接口；32級FIFO存儲；以及內(nèi)部多種運動狀態(tài)檢測和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡化跌倒檢測算法，使其成為一款非常適合于跌倒檢測器應(yīng)用的加速度傳感器。本為給出的跌倒檢測解決方案，完全基于ADXL345內(nèi)部的運動狀態(tài)檢測功能和中斷功能，甚至不需要對加速度的具體數(shù)值進(jìn)行實時讀取和復(fù)雜的計算操作，可以使算法的復(fù)雜性降至最低。 4.1.1 ADXL345的兩種串行通信模式簡介 ADXL345可采用SPI和

51、IC兩種通信方式。上述作為從機運行。CS引腳應(yīng)始終上拉至VDDI/O，IC模式使能。CS引腳應(yīng)始終上拉至VDDI/O 或由外部控制器驅(qū)動，因為CS引腳無連接時，默認(rèn)模式不存在。因此，如果沒有采取這些措施，可能會導(dǎo)致該器件無法通信。SPI模式下，CS引腳由總線主機控制。SPI和IC兩種操作模式下，應(yīng)忽略從ADXL345傳輸?shù)街髌骷臄?shù)據(jù)。 對于SPI，可3線或4線配置，如圖4.1和4.2的連接圖所示。在DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)中，選擇4線模式清除SPI位(位D6)，選擇3線模式則設(shè)置SPI位。最大負(fù)載為100 pF時，最大SPI時鐘速度為5 MHz，時序方案按照時鐘極性(C

52、POL)= 1、時鐘相位(CPHA)= 1執(zhí)行。如果主處理器的時鐘極性和相位配置之前，將電源施加到ADXL345，CS引腳應(yīng)在時鐘極性和相位改變之前連接至高電平。使用 3線SPI時，推薦將SDO引腳上拉至VDD I/O抑或通過10千歐電阻下拉至接地。 圖4.1 3線式SPI連接圖 圖4.2 4線式SPI連接圖 CS為串行端口使能線，由SPI主機控制。如圖所示此線必須在傳輸起點變?yōu)榈碗娖剑瑐鬏斀K點變?yōu)楦唠娖?。SCLK為串行端口時鐘，由SPI主機提供。無傳輸期間， SCLK為空閑高電平狀態(tài)。SDI和SDO分別為串

53、行數(shù)據(jù)輸入和輸出。SCLK下降沿時數(shù)據(jù)更新，SCLK上升沿時進(jìn)行采樣。 要在單次傳輸內(nèi)讀取或?qū)懭攵鄠€字節(jié)，必須設(shè)置位于第一個字節(jié)傳輸 (MB)R/W位后的多字節(jié)位。寄存器尋址和數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)后，時鐘脈沖的隨后每次設(shè)置(8個時鐘脈沖)導(dǎo)致ADXL345指向下一個寄存器的讀取/寫入。時鐘脈沖停止后，移位才隨之終止，CS失效。要執(zhí)行不同不連續(xù)寄存器的讀取或?qū)懭耄瑐鬏斨g CS必須失效，新寄存器另行處理。 SPI通信速率大于或等于2 MHz時，推薦采用3200Hz和1600Hz的輸出數(shù)據(jù)速率。只有通信速度大于或等于400KHz時，推薦使用800Hz的輸出數(shù)據(jù)速率，剩余的數(shù)據(jù)傳輸速率按比例增減。例

54、如，200Hz輸出數(shù)據(jù)速率時，推薦的最低通信速度為100KHz。以高于推薦的最大值輸出數(shù)據(jù)速率運行，可能會對加速度數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良影響，包括采樣丟失或額外噪聲。 如圖4.3所示，CS引腳拉高至VDDI/O，ADXL345處于IC模式，需要簡單2線式連接。ADXL345符合《UM10204IC總線規(guī)范和用戶手冊》03版（2007年6月19日，NXP Semiconductors提供）。如果滿足了總線參數(shù)，便能支持標(biāo)準(zhǔn)（100 kHz）和快速（400 kHz）數(shù)據(jù)傳輸模式。支持單個或多個字節(jié)的讀取/寫入。ALT ADDRESS引腳接地，可以選擇備用IC地址0x53（隨后R/W位）。這轉(zhuǎn)化為0x3A

55、寫入，0x3B讀取。 對于任何不使用的引腳，沒有內(nèi)部上拉或下拉電阻，因此，CS引腳或ALT ADDRESS引腳懸空或不連接時，任何已知狀態(tài)或默認(rèn)狀態(tài)不存在。使用IC時CS引腳必須連接至VDD I/O，ALT ADDRESS引腳必須連接至任一VDD I/O或接地。 由于通信速度限制，使用400kHzIC時，最大輸出數(shù)據(jù)數(shù)率為800Hz，與IC通信速度按比例呈線性變化。例如，使用100kHzIC時，DOR最大限值為200Hz。以高于推薦的最大值和最小值范圍的輸出數(shù)據(jù)數(shù)率運行，可能會對加速度數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良影響，包括采樣丟失或額外噪聲。

56、 圖4.3 IC連接圖 如果有其他器件連接到同一IC總線，這些器件的額定工作電壓電平不能高于VDD I/O0.3V以上。IC正確操作需要外接上拉電阻Rp。 4.1.2 傳感器模塊連接 iMEMS半導(dǎo)體技術(shù)把微型機械結(jié)構(gòu)與電子電路集成在同一顆芯片上。iMEMS加速度傳感器就是利用這種技術(shù)，實現(xiàn)對單軸、雙軸甚至三軸加速度進(jìn)行測量并產(chǎn)生模擬或數(shù)字輸出的傳感器。根據(jù)不同的應(yīng)用，加速度傳感器的測量范圍從幾g到幾十g不等。數(shù)字輸出的加速度傳感器還會集成多種中斷模式。這些特性可以為用戶提供更加方便靈活的解決方案。 ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計，分辨率高(13位)，

57、測量范圍達(dá)16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0的傾斜角度變化。 如圖4.4所示，為傳感器底座，接口電路連接： 圖4.4 傳感器連接模塊 此模塊電路主要功能就用于做ADXL345加速度傳感器的一個轉(zhuǎn)接口，而且利用ADXL345該加速度傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的變化值。相當(dāng)于整個系統(tǒng)的信號產(chǎn)生模塊。 4.2 微處理器模塊 PIC單片機（Peripheral Inter

58、face Controller）是一種用來開發(fā)的去控制外圍設(shè)備的集成電路（IC）。一種具有分散作用（多任務(wù)）功能的CPU。與人類相比，大腦就是CPU，PIC 共享的部分相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。 PIC 單片機是一個小的計算機 。PIC單片機有計算功能和記憶內(nèi)存像CPU并由軟件控制允行。然而，處理能力—存儲器容量卻很有限，這取決于PIC的類型。但是它們的最高操作頻率大約都在20MHz左右，存儲器容量用做寫程序的大約1K—4K字節(jié)。 　　時鐘頻率與掃描程序的時間和執(zhí)行程序指令的時間有關(guān)系。但不能僅以時鐘頻率來判斷程序處理能力，它還隨處理裝置的體系結(jié)構(gòu)改變（1*）。如果是同樣的體系結(jié)構(gòu)，時鐘頻率較高

59、的處理能力會較強。 　　這里用字來解釋程序容量。用一個指令（2*）表示一個字。通常用字節(jié)（3*）來表示存儲器（4*）容量。一個字節(jié)有8位，每位由1或0組成。PIC16F84A單片機的指令由14位構(gòu)成。當(dāng)把1K個字轉(zhuǎn)換成位為：1 x 1,024 x 14 = 14,336位。再轉(zhuǎn)換為字節(jié)為：14,336/(8 x 1,024) = 1.75K。在計算存儲器的容量時，我們規(guī)定 1G 字節(jié) = 1,024M 字節(jié), 1M 字節(jié) = 1,024K 字節(jié), 1K 字節(jié)= 1,024 字節(jié). 它們不是以1000為倍數(shù)，因為這是用二進(jìn)制計算的緣故。 　　1*計算機的物理結(jié)構(gòu),包括組織結(jié)構(gòu)、容量、該計

60、算機的CPU、存儲器以及輸入輸出設(shè)備間的互連。經(jīng)常特指CPU的組織結(jié)構(gòu),包括它的寄存器、標(biāo)志、總線、算術(shù)邏輯部件、指令譯碼與執(zhí)行機制以及定時和控制部件。 　　2*指出某種操作并標(biāo)識其操作數(shù)(如果有操作數(shù)的話)的一種語言構(gòu)造 　　3*作為一個單位來操作(運算)的一個二進(jìn)制字符串,通常比計算機的一個字短。 　　4*處理機內(nèi)的所有可尋址存儲空間以及用于執(zhí)行指令的其它內(nèi)存儲器。 　　在計算存儲器的容量時，我們規(guī)定1G字節(jié) = 1,024M字節(jié), 1M字節(jié) = 1,024K 字節(jié), 1K 字節(jié)= 1,024 字節(jié). 它們不是以1000為倍數(shù)，因為這是用二進(jìn)制計算的緣故。 　　用PIC

61、單片機使電路做的很小巧變得可能。 因為PIC單片機可以把計算部分、內(nèi)存、輸入和輸出等都做在一個芯片內(nèi)。所以她工作起來效率很高、功能也自由定義還可以靈活的適應(yīng)不同的控制要求，而不必去更換不同的IC。這樣電路才有可能做的很小巧。 本系統(tǒng)中是以PIC18F452為主控芯片來設(shè)計的，區(qū)別于一般的MCS-51單片機的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型、單指令流水線結(jié)構(gòu)。PIC單片機的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)、雙指令流水線結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的， 可以對程序和數(shù)據(jù)同時進(jìn)行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。也是因為哈弗結(jié)構(gòu)程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度，數(shù)據(jù)總線都是8位的，但指令總線位數(shù)分別位12、14、16位。我們

62、選擇的PIC18F452就是數(shù)據(jù)總線為8位，指令總線為16位的一款單片機。另外PIC單片機的所有寄存器，包括I/O口，定時器和程序計數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作。 如圖4.5所示，主控模塊由PIC18F452為主要部分，外接一個16M的晶振，接上VCC和地構(gòu)成最小系統(tǒng)模塊。 圖4.5 主控制器最小系統(tǒng)電路 晶振的作用就是給單片機正常工作提供穩(wěn)定的時鐘信號。沒有晶振，就沒有時鐘周期，沒有時鐘周期，就無法執(zhí)行程序代碼，單片機就無法工作。 單片機工作時，是一條一條地從ROM中取指令，然后一步一步地執(zhí)行。單片機訪問一次存儲器的時間，稱之

63、為一個機器周期，這是一個時間基準(zhǔn)。—個機器周期包括12個時鐘周期。如果一個單片機選擇了16MHz晶振，它的時鐘周期是1/16us，它的一個機器周期是16(1/16)us，也就是1us。 機器周期不僅對于指令執(zhí)打有著重要的意義，而且機器周期也是單片機定時器和計數(shù)器的時間基準(zhǔn)。例如一個單片機選擇了16MHz晶振，那么當(dāng)定時器的數(shù)值加1時，實際經(jīng)過的時間就是1us，這就是單片機的定時原理。 接在晶振旁的兩個電容叫負(fù)載電容。一般單片機的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容的一部分。它是根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求負(fù)載電容選值的，換句話說，晶振的頻率就是在它提供的負(fù)載電容下測得的，能最

64、大限度的保證頻率值的誤差。也能保證溫漂等誤差。兩個電容的取值都是相同的，或者說相差不大，如果相差太大，容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。 4.3 EEPROM模塊 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，電可擦可編程只讀存儲器--一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。 EEPROM 可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。 EEPROM（電可擦寫可編程只讀存儲器）是可用戶更改的只讀存儲器（ROM），其可通過高于普通電壓的作用來擦除和重編程（重寫）。不像EPROM芯片，E

65、EPROM不需從計算機中取出即可修改。在一個EEPROM中，當(dāng)計算機在使用的時候是可頻繁地重編程的，EEPROM的壽命是一個很重要的設(shè)計考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個人電腦中的電壓來擦寫和重編程。 　　EEPROM,一般用于即插即用（Plug & Play）。常用在接口卡中，用來存放硬件設(shè)置數(shù)據(jù)。 也常用在防止軟件非法拷貝的"硬件鎖"上面。 24LC064是一款小容量的EEPROM，主要用于用戶信息的存取，利用EEPROM的掉電不丟失性，在設(shè)計中主要利于它來保存用戶的步長等信息。 如圖4.6所示，24LC064與ADUC7026單片機進(jìn)行IC通信，所以在E

66、EPROM上SDA、SCKL兩個通信管腳上接了上拉電阻。 圖4.6 EEPROM接線圖 假如沒有上拉，時鐘和數(shù)據(jù)信號容易出錯，畢竟，CPU的功率有限，帶很多BUS線的時候，提供高電平信號有些吃力。而一旦這些信號被負(fù)載或者干擾拉下到某個電壓下，CPU無法正確地接收信息和發(fā)出指令，只能不斷地復(fù)位重啟。 這是根據(jù)電路需要設(shè)計的，主要目的是為了防止干擾，增加電路的穩(wěn)定性。 4.4 顯示模塊 液晶顯示器，或稱LCD（Liquid Crystal Display），為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。 LCD特點：機身薄，節(jié)省空間。與比較笨重的CRT顯示器相比，液晶顯示器只要前者三分之一的空間。 省電，不產(chǎn)生高溫。它屬于低耗電產(chǎn)品，可以做到完全不發(fā)熱(主要耗電和發(fā)熱部分存在于背光燈管或LED)