基于3軸加速度計(jì)ADXL345的全功能計(jì)步器設(shè)計(jì)

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1、基于3軸加速度計(jì)ADXL345的全功能計(jì)步器設(shè)計(jì) 基于3軸加速度計(jì)ADXL345的全功能計(jì)步器設(shè)計(jì) 摘 要 計(jì)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(lì)人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器?；蝿?dòng)這些裝置時(shí)，可以聽(tīng)到有一個(gè)金屬球來(lái)回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。 計(jì)步器功能可以根據(jù)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)分析人體的健康狀況。而人的運(yùn)動(dòng)情況可以通過(guò)很多特性來(lái)進(jìn)行分析。比如人在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速度。本文介紹了利用人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度變化來(lái)檢測(cè)步數(shù)的計(jì)步器實(shí)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(lái)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?shí)現(xiàn)計(jì)步功能。本文設(shè)計(jì)了一款基于加速度傳感器ADXL345的計(jì)步器。詳細(xì)介紹了計(jì)步器的軟件算法的實(shí)同時(shí)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Ｔ撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。該芯片也可以擴(kuò)展到其它需要測(cè)量加速度的應(yīng)用場(chǎng)合，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字：計(jì)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(jì)步器 2 2.2基于射頻技術(shù)的短跑訓(xùn)練計(jì)步器 3 2.3 基于加速度傳感器的計(jì)步器 5 3 ADXL3XX系列產(chǎn)品簡(jiǎn)介及本次設(shè)計(jì)方案的提出 6 3.1 ADXL335, ADXL345和 ADXL346三軸加速度計(jì)的區(qū)別 6 3.1.1 ADXL335的簡(jiǎn)介、特點(diǎn)及功能框圖 7 3.1.2 ADXL346的簡(jiǎn)介

9、、特點(diǎn)及功能框圖 8 3.1.3 ADXL345的簡(jiǎn)介、特點(diǎn)及功能框圖 10 3.2 本次系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jì)方案..................................................................................................

10、...............15 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì) 25 5.1 軟件總體設(shè)計(jì) 25 5.2 算法的實(shí)現(xiàn) 26 6 結(jié)論 32 致 謝 33 參考文獻(xiàn) 34 附錄1 加速度計(jì)步器ADX

11、L345簡(jiǎn)介 36 附錄2 整機(jī)電路圖 38 附錄3 源程序 39 1 緒 論 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平日漸提高，人們也越來(lái)越關(guān)注自己的健康。計(jì)步器作為一種測(cè)量?jī)x器，可以計(jì)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(yùn)動(dòng)方案來(lái)健身，并根據(jù)運(yùn)行情況來(lái)分析人體的健康狀況，因而越發(fā)流行。手持式的電子計(jì)步器是適應(yīng)市場(chǎng)需求的設(shè)計(jì)，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。 計(jì)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(lì)人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器?；蝿?dòng)這些裝置時(shí)，可以聽(tīng)到有一個(gè)金屬球來(lái)回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。電

12、子計(jì)步器主要由振動(dòng)傳感器和電子計(jì)數(shù)器組成。人在步行時(shí)重心都要有一點(diǎn)上下移動(dòng)。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(dòng)傳感器其實(shí)就是一個(gè)平衡錘在上下振動(dòng)時(shí)平衡被破壞使一個(gè)觸點(diǎn)能出現(xiàn)通/斷動(dòng)作，由電子計(jì)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(jì)步器中一般采用一種加速度計(jì)來(lái)感受外界的震動(dòng)。常用的加速度計(jì)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(xiàn)圈，當(dāng)塑料管運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鐵由于慣性在管中反向運(yùn)動(dòng)，切割線(xiàn)圈，由于電磁感應(yīng)，線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下起伏的加速度近似為正弦過(guò)程，線(xiàn)圈的輸出電流也是正弦波，測(cè)量正弦波的頻率就可以得出運(yùn)動(dòng)的步

13、數(shù)，再計(jì)算的出速度，距離，和消耗卡路里。 本文介紹了利用人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度變化來(lái)檢測(cè)步數(shù)的計(jì)步器實(shí)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(lái)的數(shù)據(jù)處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)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Ｔ撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。該芯片也可以擴(kuò)展到其它需要測(cè)量加速度的應(yīng)用場(chǎng)合，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。 2 課題研究背景及意義 目前隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的手持設(shè)備，例如手機(jī)、MP3和PMP等等，都要增加健康或者運(yùn)動(dòng)的功能。計(jì)步器作為一種測(cè)量?jī)x器，可以計(jì)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(jì)步器的構(gòu)成有機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式的計(jì)步器利用人體行走時(shí)的振動(dòng)引起計(jì)步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過(guò)判斷電子脈沖的方法來(lái)達(dá)到計(jì)步的功能。這種機(jī)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(jì)步器 在本設(shè)計(jì)中，提出了一種監(jiān)測(cè)手術(shù)后病人運(yùn)動(dòng)的數(shù)字光電計(jì)步器開(kāi)發(fā)的介紹。經(jīng)過(guò)整形或心血管手術(shù)，病人運(yùn)動(dòng)必須受到限制，然而，由醫(yī)生決定的大量的日?；顒?dòng)是必要的。步計(jì)數(shù)器為計(jì)算定量檢測(cè)的病人步數(shù)開(kāi)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(gè)高靈敏度光電接收器[1]。當(dāng)計(jì)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(shí)，病人是一個(gè)警告，要他們停止進(jìn)一步的警告聲音或視覺(jué)活動(dòng)。 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(cè)器設(shè)計(jì)。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(guò)整形或心血管手術(shù)，一些病人運(yùn)動(dòng)受到限制，每日步行活動(dòng)一定的數(shù)額?；谶@個(gè)目的，我們需要一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器?，F(xiàn)在對(duì)步數(shù)計(jì)數(shù)的方法有很多種，其中一種是使用水銀開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在接觸中增加了錯(cuò)誤的概率計(jì)算，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可能在病人運(yùn)動(dòng)開(kāi)始前計(jì)數(shù)。另一個(gè)不利之處是，隨著時(shí)間的接觸，開(kāi)關(guān)失去彈性。 計(jì)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(huì)受到外部影響影響，如陽(yáng)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(kāi)發(fā)并經(jīng)常使用。計(jì)步器應(yīng)該在達(dá)到適當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，達(dá)到報(bào)警，并且應(yīng)該不會(huì)影響其他電子設(shè)備。光電器件滿(mǎn)足這些條件，光電器件的能量消耗低，可在小尺寸設(shè)計(jì)，不影響其他設(shè)備。由此提出了一種監(jiān)測(cè)手術(shù)后病人運(yùn)動(dòng)的數(shù)字光電計(jì)步器開(kāi)發(fā)的介紹。經(jīng)過(guò)整形或心血管手術(shù)，病人運(yùn)動(dòng)必須受到限制，然而，由醫(yī)生決定的大量的日?；顒?dòng)是必要的。步計(jì)數(shù)器為計(jì)算定量檢測(cè)的病人步數(shù)開(kāi)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(gè)高靈敏度光電接收器。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的步驟（每周或每天）設(shè)定值時(shí)，病人是一個(gè)警告，要他們停止進(jìn)一步的警告聲

17、音或視覺(jué)活動(dòng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含一個(gè)光源和光探測(cè)器部分。光源部分包括一個(gè)紅外LED和一個(gè)脈沖的來(lái)源。該探測(cè)器的部分包括一個(gè)光電二極管，其頻譜類(lèi)似的LED。放大器連接到光電探測(cè)器的輸出。擴(kuò)增信號(hào)是由一個(gè)計(jì)數(shù)器上的微處理器輸入。 下面是光電計(jì)步器原理圖。 圖2.1 光電計(jì)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(dòng)。為系統(tǒng)提供的能源是來(lái)自一個(gè)電池，為節(jié)約能源消費(fèi)，設(shè)計(jì)為當(dāng)病人穿上鞋子時(shí)開(kāi)始工作。電源開(kāi)關(guān)被放置在鞋底。脈沖間隔時(shí)間選擇為5毫秒，分別減少了電路的平均電流。該探測(cè)器連接了一個(gè)可編程的數(shù)字電路。數(shù)字電路包含一個(gè)微處理器和一個(gè)液

18、晶顯示屏。需要計(jì)的步數(shù)可以使用SET和上下按鈕來(lái)顯示，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到當(dāng)前步數(shù)的設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并給出讓他的病人停止的信號(hào)。這一計(jì)步器也可以用來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)，即在一個(gè)確定的評(píng)估期間，足球運(yùn)動(dòng)員的演習(xí)。在這種情況下，發(fā)射接收器成對(duì)對(duì)安裝在運(yùn)動(dòng)員的鞋底，步數(shù)的計(jì)數(shù)是由計(jì)算機(jī)控制。 2.2基于射頻技術(shù)的短跑訓(xùn)練計(jì)步器 設(shè)計(jì)了一種用于短跑訓(xùn)練中計(jì)量步頻和步長(zhǎng)的計(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)步數(shù)據(jù) 的處理。閱讀器應(yīng)用 了橋式推挽驅(qū)動(dòng)技 術(shù) ，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離 的可靠 信息傳輸 實(shí)驗(yàn)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(duì)訓(xùn)練成績(jī)的提高有明顯的效果。該計(jì)步器是一種用于短跑訓(xùn)練中計(jì)量步頻和步長(zhǎng)的計(jì)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(jī) 蜂鳴器 分頻電路 振蕩電路 驅(qū)動(dòng)電路 上拉機(jī) 圖 2.1閱讀器結(jié)構(gòu)框圖 水銀開(kāi)關(guān) 單片機(jī) 脈沖驅(qū)動(dòng) 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(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)步數(shù)據(jù)的處理。閱讀器應(yīng)用了橋式推挽驅(qū)動(dòng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的可靠信息傳輸。實(shí)驗(yàn)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(duì)訓(xùn)練

20、成績(jī)的提高有明顯的效果。 射頻卡具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。它裝在運(yùn)動(dòng)員的跑鞋上，用來(lái)計(jì)量運(yùn)動(dòng)員的步數(shù)。閱讀器裝在跑道一側(cè)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員從閱讀器旁通過(guò)時(shí)，能自動(dòng)將運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)步數(shù)加以記錄，在跑道上可以同時(shí)安裝多個(gè)閱讀器，這樣可以將運(yùn)動(dòng)員在各個(gè)不同階段的步長(zhǎng)和步頻記錄下來(lái)。單片機(jī)通過(guò)軟件在每個(gè)卡中設(shè)置一個(gè)唯一的編碼 (即卡號(hào))，它相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)員身份證。同時(shí)與單片機(jī)相連的還有一個(gè)水銀開(kāi)關(guān)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員每走一步時(shí)，水銀開(kāi)關(guān)通斷一次，單片機(jī)對(duì)水銀開(kāi)關(guān)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而將運(yùn)動(dòng)員的步數(shù)記錄下來(lái)。當(dāng)射頻卡靠近到閱讀器時(shí)，它接收到閱讀器耦合電路的無(wú)線(xiàn)電波能量，經(jīng)整流濾波后對(duì)射頻卡供電。同時(shí)給單片機(jī)中斷信號(hào)，單片機(jī)將卡

21、號(hào)和記錄的步數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，然后通過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)電路將編碼信號(hào)發(fā)出。脈沖驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)單片機(jī)送來(lái) 的編碼信號(hào)，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(shí)電阻接入耦合電路，低電平時(shí)，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(shí)變壓器 的原副電壓電流均將發(fā)生變化，從而將信號(hào)傳遞給閱讀器。 本計(jì)步器采用MSP430超低功耗單片機(jī)和橋式推挽驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低功耗和遠(yuǎn)距離的信息傳輸，為運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作設(shè)計(jì)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(jì)步器 隨著手機(jī)功能的逐漸增多，在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)一些與健康有關(guān)的功能也已成為一種熱點(diǎn)，例如計(jì)步器功能可以根據(jù)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)分析

22、人體的健康狀況。比如人在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)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?shí)現(xiàn)計(jì)步功能。這是一款基于加速度傳感器ADXL340的計(jì)步器[3-4]。該計(jì)步器系統(tǒng)上還具有USB接口，可與PC機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。 本文將以計(jì)步器為例，介紹了計(jì)步器的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法的實(shí)現(xiàn)。該計(jì)步器系統(tǒng)采用ADI的ADuc7026作為主控芯片，采用ADXL340來(lái)采集加速度數(shù)據(jù)，最后通過(guò)USB接口與上位機(jī)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(qiáng)型805l微控制芯片口

23、。它提供了一個(gè)基于RAM的軟解決方案，允許無(wú)限制地配置與升級(jí)。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(guò)程，通過(guò)預(yù)設(shè)的端點(diǎn)和可選的設(shè)置創(chuàng)建一個(gè)缺省的USB設(shè)備，這樣，就可以將USB的固件存儲(chǔ)在主機(jī)上，而不必存入U(xiǎn)SB芯片中，大大減輕了固件的工作，簡(jiǎn)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(jī)后，USB是根據(jù)外部IC總線(xiàn)接口上的一個(gè)串行EPROM中進(jìn)行配置的。硬件設(shè)計(jì)框圖如下： 電源6V 16個(gè)LED 5VLDO 3.3VLDO CY7C68013 加速度傳感器ADXL340 LCD液晶顯示器 鍵盤(pán) 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(jiǎn)介及本次設(shè)計(jì)方案的提出 如今，先進(jìn)的計(jì)步器利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來(lái)精確檢測(cè)真實(shí)的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)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(diǎn)，因此越來(lái)越多的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備開(kāi)始集成計(jì)步器功能，如音樂(lè)播放器和手機(jī)等

25、。 加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)物體在加速過(guò)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(gè)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(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路改善信號(hào)的信噪比，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，最后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。當(dāng)傳感元件以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)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(kuò)散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個(gè)電阻作為

26、電橋的一個(gè)橋臂，通過(guò)測(cè)量電橋輸出電壓的變化可以完成對(duì)加速度的測(cè)量。 為了達(dá)到準(zhǔn)確性，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分析了3個(gè)不同方向的加速度數(shù)據(jù)：前向、縱向和側(cè)向。利用人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度變化來(lái)檢測(cè)步數(shù)的計(jì)步器，在實(shí)測(cè)時(shí)計(jì)步器的精度達(dá)到96%，已經(jīng)比較不錯(cuò)，能較好的實(shí)現(xiàn)計(jì)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(jì)的計(jì)步器在人們?nèi)粘Ｉ钪锌梢院?jiǎn)單方便的應(yīng)用。 3.1 ADXL335, ADXL345和 ADXL346三軸加速度計(jì)的區(qū)別 加速度計(jì)由檢測(cè)質(zhì)量（也稱(chēng)敏感質(zhì)量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測(cè)質(zhì)量受支承的約束只能沿一條軸線(xiàn)移

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

28、承軸轉(zhuǎn)動(dòng)）；按支承方式分類(lèi)有寶石支承、撓性支承、氣浮、液浮、磁懸浮和靜電懸浮等；按測(cè)量系統(tǒng)的組成形式分類(lèi)有開(kāi)環(huán)式和閉環(huán)式；按工作原理分類(lèi)有振弦式、振梁式和擺式積分陀螺加速度計(jì)等；按輸入軸數(shù)目分類(lèi)，有單軸、雙軸和三軸加速度計(jì)；按傳感元件分類(lèi)，有壓電式、壓阻式和電位器式等。通常綜合幾種不同分類(lèi)法的特點(diǎn)來(lái)命名一種加速度計(jì)。 美國(guó)Devices公司的ADXL系列芯片即為一個(gè)3軸（X軸、Y軸、Z軸）的加速度傳感器，傳感器可以檢測(cè)出三個(gè)標(biāo)軸的加速度變化，這3個(gè)軸正好可以分別代表人體運(yùn)動(dòng)時(shí)3個(gè)方向。ADI公司的3軸加速度計(jì)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(jiǎn)介、特點(diǎn)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(jì),提供經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的電壓輸出,能以最小3 g的滿(mǎn)量程范圍測(cè)量加速度。它可以測(cè)量?jī)A斜檢測(cè)應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度,以及運(yùn)動(dòng)、沖擊或振動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。 用戶(hù)使用CX、CY和 CZ引腳上的電容 XOUT、YOUT和ZOUT選擇該加速度計(jì)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(jí)封裝(LFCS

30、P_LQ)。 ADXL335的 特點(diǎn)： （1） 三軸檢測(cè)。 （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(guò)各軸的一個(gè)電容調(diào)整相應(yīng)的帶寬。 （8）符合RoHS/WEEE無(wú)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(jiǎn)介、特點(diǎn)及功能框圖 ADXL346是一款在16 g感應(yīng)范圍下可實(shí)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(jì)。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式提供,可以通過(guò)SPI(三線(xiàn)制或四線(xiàn)制)或IC數(shù)字接口讀取。 ADXL346非常適合用于移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。這款器件能夠測(cè)量在傾斜感應(yīng)應(yīng)用中的重力靜態(tài)加速度,也能夠測(cè)量由于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)引起的動(dòng)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(jì)還提

32、供幾種特殊感應(yīng)功能。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)感應(yīng)功能可以檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生,以及在任何軸上的加速度是否超過(guò)用戶(hù)設(shè)置的水平。輕敲(tap)感應(yīng)功能可以檢測(cè)單次以及雙重輕敲的動(dòng)作。自由落體的感應(yīng)可以檢測(cè)設(shè)備是否正在落下。這些功能可以映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的某個(gè)引腳上。這款加速計(jì)集成的32級(jí)先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器可用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),以將主處理器干預(yù)降至最低。4個(gè)方位和6個(gè)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(guò)在極低的功耗下的閾值感應(yīng)和主動(dòng)加速度測(cè)量,實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理。 ADXL346 特點(diǎn)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(dòng)調(diào)整功耗 （4） 用戶(hù)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(shí)分辨率高達(dá)13位(在整個(gè)感應(yīng)范圍內(nèi)保持4 mg/LSB的比例系數(shù)) （5） 32級(jí)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(cè) （7） 動(dòng)態(tài)/靜態(tài)監(jiān)測(cè) （8） 自由落體檢測(cè) （9） 4個(gè)和6個(gè)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(jiǎn)介、特點(diǎn)及功能框圖 ADXL345是一款超低功耗小巧纖薄的3軸加速計(jì)，可以對(duì)高達(dá)16g的加速度進(jìn)行高分辨率（13位）測(cè)量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式，可通過(guò)SPI（3線(xiàn)或4線(xiàn)）或者IC數(shù)字接口訪問(wèn)。 ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜感測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以從運(yùn)動(dòng)或者振動(dòng)中生成動(dòng)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(cè)功能。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)感測(cè)功能可以檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，以及在任何軸上的加速度是否超過(guò)用戶(hù)設(shè)置的水平。點(diǎn)擊感測(cè)功能可以檢

35、測(cè)單擊和雙擊動(dòng)作。自由落體感測(cè)功能可以檢測(cè)該設(shè)備是否正在掉落。這些功能可以映射到中斷信號(hào)輸出的引腳上。一個(gè)集成的32級(jí)FIFO可用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，從而最小化對(duì)主處理器的影響。 ADXL345的特點(diǎn)如下： （1） 超低功耗：Vs = 2.5V時(shí)（典型值），測(cè)量模式下低至23uA，待機(jī)模式下為0.1uA。 （2） 功耗隨帶寬自動(dòng)按比例變化。 （3） 用戶(hù)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(shí)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(qǐng)專(zhuān)利的嵌入式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用FIFO技術(shù)，可將主機(jī)處理負(fù)荷降至最低。 （5） 單振/雙振檢

36、測(cè)。 （6） 活動(dòng)/非活動(dòng)監(jiān)控。 （7） 自由落體檢測(cè)。 （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(xiàn)和4線(xiàn)）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(wú)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(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)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(shí)現(xiàn)靠的是iPhone的內(nèi)置加速計(jì)

37、。iPhone所采用的加速計(jì)是三軸加速計(jì)，分為X軸、Y軸和Z軸。這三個(gè)軸所構(gòu)成的立體空間足以偵測(cè)到你在iPhone上的各種動(dòng)作。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常是以這三個(gè)軸（或任意兩個(gè)軸）所構(gòu)成的角度來(lái)計(jì)算iPhone傾斜的角度，從而計(jì)算出重力加速度的值。 通過(guò)感知特定方向的慣性力總量，加速計(jì)可以測(cè)量出加速度和重力。iPhone的三軸加速計(jì)意味著它能夠檢測(cè)到三維空間中的運(yùn)動(dòng)或重力引力。因此，加速計(jì)不但可以指示握持電話(huà)的方式（或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能），而且如果電話(huà)放在桌子上的話(huà)，還可以指示電話(huà)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(cè)功能?；顒?dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能通過(guò)比較任意軸上的加速度與用戶(hù)設(shè)置的閾值來(lái)檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生。敲擊檢測(cè)功能可以檢測(cè)任意方向的單振和雙振動(dòng)作。自由落體檢測(cè)功能可以檢測(cè)器件是否正在掉落。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。正在申請(qǐng)專(zhuān)利的集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級(jí)先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)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(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的 功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。 ADXL345采用3 mm 5 mm 1 mm，14引腳小型超薄塑料封裝。鑒于對(duì)成本及模擬輸出的考慮，

39、ADXL345加速度計(jì)更適合，因此，本次設(shè)計(jì)采用的是ADXL345三軸加速度計(jì)。 3.2 本次系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(guò)使用寄存器來(lái)實(shí)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(gè)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(jì)8個(gè)中斷源。每個(gè)中斷源可

40、以獨(dú)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(shí)使用，只是某些功能可能需要公用中斷引腳。中斷功能通過(guò)Int_ENABLE寄存器地相應(yīng)位來(lái)選擇使能或禁用，通過(guò)INT_MAP寄存器地的相應(yīng)位來(lái)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(shí)，Data_Ready中斷置位；當(dāng)沒(méi)有新的數(shù)據(jù)時(shí)，Data_Ready中斷清除。 （2）Single_Tap –當(dāng)加速度超過(guò)一定門(mén)限（THRESH_TAPDUR）并且持續(xù)時(shí)間小于一定時(shí)間范圍（DUR）地時(shí)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(shí)間（LATENT）之后，并在一定時(shí)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(guò)一定門(mén)限（THRESH_ACT）時(shí)，Activity中斷置位。 （5）Inactivity-當(dāng)加速度低于一定門(mén)限（THRESH_INACT）并且持續(xù)超過(guò)一定時(shí)

42、間（TIME_INACT）時(shí)，Inactivity中斷置位。TIME_INACT可以設(shè)定地最長(zhǎng)時(shí)間為255s 。 需要指出的是，對(duì)于Activity和Inactivity中斷，用戶(hù)可以針對(duì)X、Y、Z軸來(lái)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(duì)于Activity和Inactivity中斷，用戶(hù)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(gè)采樣點(diǎn)地加速度值將直接與門(mén)限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來(lái)判斷是否發(fā)生中斷。A

43、C coupled工作方式下，新的采樣點(diǎn)將以之前的某個(gè)采樣點(diǎn)為參考，用兩個(gè)采樣點(diǎn)的差值與門(mén)限（THRESH_ACT或THRESH_INACT）進(jìn)行比較，來(lái)判斷是否發(fā)生中斷；AC coupled工作方式下的Activity檢測(cè)，是選擇檢測(cè)開(kāi)始時(shí)的那一個(gè)采樣點(diǎn)作為參考，以后每個(gè)采樣點(diǎn)的加速度值都與參考點(diǎn)進(jìn)行比較。如果它們的差值超過(guò)門(mén)限（THRESH_ACT），則Activity中斷置位。ACcoupled工作方式下的Inctivity檢測(cè)，同樣要選擇一個(gè)參考點(diǎn)。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度值超過(guò)門(mén)限（THRESH_INACT）參考點(diǎn)會(huì)被該采樣點(diǎn)更新。如果新采樣點(diǎn)與參考點(diǎn)的加速度差值小于門(mén)限（THR

44、ESH_INACT），并且持續(xù)超過(guò)一定時(shí)間 （TIME_INACT）則Inctivity置位。 （6）Free_Fall – 當(dāng)加速度值低于一定門(mén)限（THRESH_FF）并且持續(xù)超過(guò)一定時(shí)間（TIME_FF）時(shí)，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(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。因此，X、Y、Z軸總是同時(shí)被使能或禁用；其時(shí)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(diǎn)超過(guò)一定點(diǎn)數(shù)

45、（SAMPLES）時(shí)，Watermark中斷置位。當(dāng)FIFO里的采樣點(diǎn)數(shù)小于該數(shù)值（SAMPLES）時(shí)，Watermark中斷自動(dòng)清除。 需要指出的是，ADXL345的FIFO最多可以存儲(chǔ)32個(gè)采樣點(diǎn)（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(gè)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(méi)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(diǎn)更新了未被讀取的前次采樣點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)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(chǔ)滿(mǎn)32點(diǎn)時(shí)，Overrun中斷才會(huì)置位。FIFO里的采樣點(diǎn)被讀取后，Over中斷自動(dòng)清除。 3.2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 如圖3.7所示，該計(jì)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(jī)內(nèi)部，將數(shù)據(jù)處理后輸出液晶顯示，存入EEPROM存儲(chǔ)。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(gè)方向加速度(嚴(yán)格意義上稱(chēng)為比力)，然后通過(guò)電子感應(yīng)

47、器件將感應(yīng)到物理量模擬化．再通過(guò)A/D采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)．經(jīng)過(guò)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(guò)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(gè)方向的加速度輸出，RA0、RA1、RA2為單片機(jī)三個(gè)通用I/O輸入口，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后由液晶輸出，同時(shí)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(jì)步器總體框圖 傳統(tǒng)的機(jī)械式的計(jì)步器利用人體行走時(shí)的振動(dòng)引起計(jì)步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過(guò)判斷電子脈沖的方法來(lái)達(dá)到計(jì)步的功能。這種機(jī)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(guó)DI公司推盤(pán)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(hào)調(diào)理、單掇低通濾波器和灄度補(bǔ)償技本，并提供四種加速度范圍。ADXL345是一個(gè)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(gè)方向的傳感器。利用MEMS(微機(jī)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(lái)，克服了機(jī)械式的準(zhǔn)確性和靈敏度低的缺點(diǎn)。 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)各模塊電路 4.1 傳感器電路連接模塊 加速度計(jì)時(shí)測(cè)量運(yùn)載體線(xiàn)加速度的儀表。在飛行控制系統(tǒng)中，加速度計(jì)是重要的動(dòng)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(jì)是最基本的敏感原件之一。在各類(lèi)飛行器的飛行試驗(yàn)中，加速度計(jì)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(cè)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(jí)FIFO存儲(chǔ)；以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)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(jiǎn)化跌倒檢測(cè)算法，使其成為一款非常適合于跌倒檢測(cè)器應(yīng)用的加速度傳感器。本為給出的跌倒檢測(cè)解決方案，完全基于ADXL345內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)功能和中斷功能，甚至不需要對(duì)加速度的具體數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和復(fù)雜的計(jì)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(jiǎn)介 ADXL345可采用SPI和

51、IC兩種通信方式。上述作為從機(jī)運(yùn)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(dòng)，因?yàn)镃S引腳無(wú)連接時(shí)，默認(rèn)模式不存在。因此，如果沒(méi)有采取這些措施，可能會(huì)導(dǎo)致該器件無(wú)法通信。SPI模式下，CS引腳由總線(xiàn)主機(jī)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(duì)于SPI，可3線(xiàn)或4線(xiàn)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(xiàn)模式清除SPI位(位D6)，選擇3線(xiàn)模式則設(shè)置SPI位。最大負(fù)載為100 pF時(shí)，最大SPI時(shí)鐘速度為5 MHz，時(shí)序方案按照時(shí)鐘極性(C

52、POL)= 1、時(shí)鐘相位(CPHA)= 1執(zhí)行。如果主處理器的時(shí)鐘極性和相位配置之前，將電源施加到ADXL345，CS引腳應(yīng)在時(shí)鐘極性和相位改變之前連接至高電平。使用 3線(xiàn)SPI時(shí)，推薦將SDO引腳上拉至VDD I/O抑或通過(guò)10千歐電阻下拉至接地。 圖4.1 3線(xiàn)式SPI連接圖 圖4.2 4線(xiàn)式SPI連接圖 CS為串行端口使能線(xiàn)，由SPI主機(jī)控制。如圖所示此線(xiàn)必須在傳輸起點(diǎn)變?yōu)榈碗娖剑瑐鬏斀K點(diǎn)變?yōu)楦唠娖?。SCLK為串行端口時(shí)鐘，由SPI主機(jī)提供。無(wú)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(shí)數(shù)據(jù)更新，SCLK上升沿時(shí)進(jìn)行采樣。 要在單次傳輸內(nèi)讀取或?qū)懭攵鄠€(gè)字節(jié)，必須設(shè)置位于第一個(gè)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(gè)字節(jié)后，時(shí)鐘脈沖的隨后每次設(shè)置(8個(gè)時(shí)鐘脈沖)導(dǎo)致ADXL345指向下一個(gè)寄存器的讀取/寫(xiě)入。時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yùn)行，可能會(huì)對(duì)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(jiǎn)單2線(xiàn)式連接。ADXL345符合《UM10204IC總線(xiàn)規(guī)范和用戶(hù)手冊(cè)》03版（2007年6月19日，NXP Semiconductors提供）。如果滿(mǎn)足了總線(xiàn)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(gè)或多個(gè)字節(jié)的讀取/寫(xiě)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(xiě)入，0x3B讀取。 對(duì)于任何不使用的引腳，沒(méi)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(shí)，任何已知狀態(tài)或默認(rèn)狀態(tài)不存在。使用IC時(shí)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(shí)，最大輸出數(shù)據(jù)數(shù)率為800Hz，與IC通信速度按比例呈線(xiàn)性變化。例如，使用100kHzIC時(shí)，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(yùn)行，可能會(huì)對(duì)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(xiàn)，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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)單軸、雙軸甚至三軸加速度進(jìn)行測(cè)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(cè)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(huì)集成多種中斷模式。這些特性可以為用戶(hù)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(jì)，分辨率高(13位)，

57、測(cè)量范圍達(dá)16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò)SPI(3線(xiàn)或4線(xiàn))或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測(cè)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(gè)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(gè)系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生模塊。 4.2 微處理器模塊 PIC單片機(jī)（Peripheral Inter

58、face Controller）是一種用來(lái)開(kāi)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(lèi)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(jī)是一個(gè)小的計(jì)算機(jī) 。PIC單片機(jī)有計(jì)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(chǔ)器容量卻很有限，這取決于PIC的類(lèi)型。但是它們的最高操作頻率大約都在20MHz左右，存儲(chǔ)器容量用做寫(xiě)程序的大約1K—4K字節(jié)。 　　時(shí)鐘頻率與掃描程序的時(shí)間和執(zhí)行程序指令的時(shí)間有關(guān)系。但不能僅以時(shí)鐘頻率來(lái)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(shí)鐘頻率較高

59、的處理能力會(huì)較強(qiáng)。 　　這里用字來(lái)解釋程序容量。用一個(gè)指令（2*）表示一個(gè)字。通常用字節(jié)（3*）來(lái)表示存儲(chǔ)器（4*）容量。一個(gè)字節(jié)有8位，每位由1或0組成。PIC16F84A單片機(jī)的指令由14位構(gòu)成。當(dāng)把1K個(gè)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(jì)算存儲(chǔ)器的容量時(shí)，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?yàn)檫@是用二進(jìn)制計(jì)算的緣故。 　　1*計(jì)算機(jī)的物理結(jié)構(gòu),包括組織結(jié)構(gòu)、容量、該計(jì)

60、算機(jī)的CPU、存儲(chǔ)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(xiàn)、算術(shù)邏輯部件、指令譯碼與執(zhí)行機(jī)制以及定時(shí)和控制部件。 　　2*指出某種操作并標(biāo)識(shí)其操作數(shù)(如果有操作數(shù)的話(huà))的一種語(yǔ)言構(gòu)造 　　3*作為一個(gè)單位來(lái)操作(運(yùn)算)的一個(gè)二進(jìn)制字符串,通常比計(jì)算機(jī)的一個(gè)字短。 　　4*處理機(jī)內(nèi)的所有可尋址存儲(chǔ)空間以及用于執(zhí)行指令的其它內(nèi)存儲(chǔ)器。 　　在計(jì)算存儲(chǔ)器的容量時(shí)，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?yàn)檫@是用二進(jìn)制計(jì)算的緣故。 　　用PIC

61、單片機(jī)使電路做的很小巧變得可能。 因?yàn)镻IC單片機(jī)可以把計(jì)算部分、內(nèi)存、輸入和輸出等都做在一個(gè)芯片內(nèi)。所以她工作起來(lái)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(lái)設(shè)計(jì)的，區(qū)別于一般的MCS-51單片機(jī)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型、單指令流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)。PIC單片機(jī)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)、雙指令流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開(kāi)的， 可以對(duì)程序和數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行訪問(wèn)，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。也是因?yàn)楣ソY(jié)構(gòu)程序和數(shù)據(jù)總線(xiàn)可以采用不同的寬度，數(shù)據(jù)總線(xiàn)都是8位的，但指令總線(xiàn)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(xiàn)為8位，指令總線(xiàn)為16位的一款單片機(jī)。另外PIC單片機(jī)的所有寄存器，包括I/O口，定時(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問(wèn)和操作。 如圖4.5所示，主控模塊由PIC18F452為主要部分，外接一個(gè)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(jī)正常工作提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。沒(méi)有晶振，就沒(méi)有時(shí)鐘周期，沒(méi)有時(shí)鐘周期，就無(wú)法執(zhí)行程序代碼，單片機(jī)就無(wú)法工作。 單片機(jī)工作時(shí)，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(jī)訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器的時(shí)間，稱(chēng)之

63、為一個(gè)機(jī)器周期，這是一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)?！獋€(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)時(shí)鐘周期。如果一個(gè)單片機(jī)選擇了16MHz晶振，它的時(shí)鐘周期是1/16us，它的一個(gè)機(jī)器周期是16(1/16)us，也就是1us。 機(jī)器周期不僅對(duì)于指令執(zhí)打有著重要的意義，而且機(jī)器周期也是單片機(jī)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的時(shí)間基準(zhǔn)。例如一個(gè)單片機(jī)選擇了16MHz晶振，那么當(dāng)定時(shí)器的數(shù)值加1時(shí)，實(shí)際經(jīng)過(guò)的時(shí)間就是1us，這就是單片機(jī)的定時(shí)原理。 接在晶振旁的兩個(gè)電容叫負(fù)載電容。一般單片機(jī)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(huà)說(shuō)，晶振的頻率就是在它提供的負(fù)載電容下測(cè)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(gè)電容的取值都是相同的，或者說(shuō)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(chǔ)器--一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)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(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器）是可用戶(hù)更改的只讀存儲(chǔ)器（ROM），其可通過(guò)高于普通電壓的作用來(lái)擦除和重編程（重寫(xiě)）。不像EPROM芯片，E

65、EPROM不需從計(jì)算機(jī)中取出即可修改。在一個(gè)EEPROM中，當(dāng)計(jì)算機(jī)在使用的時(shí)候是可頻繁地重編程的，EEPROM的壽命是一個(gè)很重要的設(shè)計(jì)考慮參數(shù)。EEPROM的一種特殊形式是閃存，其應(yīng)用通常是個(gè)人電腦中的電壓來(lái)擦寫(xiě)和重編程。 　　EEPROM,一般用于即插即用（Plug & Play）。常用在接口卡中，用來(lái)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(hù)信息的存取，利用EEPROM的掉電不丟失性，在設(shè)計(jì)中主要利于它來(lái)保存用戶(hù)的步長(zhǎng)等信息。 如圖4.6所示，24LC064與ADUC7026單片機(jī)進(jìn)行IC通信，所以在E

66、EPROM上SDA、SCKL兩個(gè)通信管腳上接了上拉電阻。 圖4.6 EEPROM接線(xiàn)圖 假如沒(méi)有上拉，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)容易出錯(cuò)，畢竟，CPU的功率有限，帶很多BUS線(xiàn)的時(shí)候，提供高電平信號(hào)有些吃力。而一旦這些信號(hào)被負(fù)載或者干擾拉下到某個(gè)電壓下，CPU無(wú)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(jì)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(chēng)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(diǎn)、線(xiàn)、面配合背部燈管構(gòu)成畫(huà)面。 LCD特點(diǎn)：機(jī)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)