三轴位置传感器模块设计与实现毕业设计(编辑修改稿)

三轴位置传感器模块设计与实现毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象，加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性，晶体变形 就 会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系， 三轴位置传感器模块设计与实现 5 就可以将加速度转化成电压输出。 而三轴加速度传感器是加速度传感器的一种，因此它也是基于这个原理设计的。 加速度传感器 的应用 加快度 传感器 可以 应用 于 车辆运动姿态的测量 ， 车辆在行驶中，由于路面的不平整，会产生跌宕，对驾驶的舒适度产生影响，而如果配备了三轴加速度传感器，那么它就可以采集出车辆行驶过程中的三个轴向的加速度值，计算出车与路面的倾角，并分析这三个加速度的形成原因，从而可以调整驾驶的位置，使得驾驶的舒适性大大的提高。 加快度传感器 还可以 应用于 机械设备的 振动 检测，机械设备在工作时，会产生一定的 振动，而这种振动对机械是无益的，它可能使得机械零部件的失效，甚至带来一定的安全隐患。 如果安装了加速度传感器，那么在机械工作的时候，它就可以计算出 振动的频率，以及幅值等参量，并且由系统予以统计，以至于可以早期查找出安全隐患。 并且如果机械是有悬臂的，它根据测量出的加速度的值，可以计算出悬臂的偏角，以及所处的位置，有助于操作人员及时的修正。 加速度传感器还可以应用于各种电子产品，比如现在越来越多的人使用智能手机，在阅读文章，玩游戏的时候，使用加速度传感器可以模拟出人体对手机位置 的操作，从而方便了人们的一些操作 ，使人们的日常生活更加的方便，更加的科学化，人性 化。 加速度传感器在人体方面的应用也 越来越多 ，比如在人体跌倒方面的应用，人体跌倒时，加速度的值会有很 大的变化，并且发生时间短，可以根据这些，检测出人体是否发生跌倒，特别对于老人的监护，这种应用显得尤为重要。 还有计步器方面的应用， 在 人体运动时，采集出加速度 的值 ，从而 计算出走了多少路程，并且可以根据实际的需要计算出消耗的热量，这样对于经常锻炼的人群，显得更加人性化。 三轴位置传感器模块设计与实现 6 2 三轴位置传感器模块设计方案 理论基础 因为我们所设计的 三轴位置传感器模块主要应用于人体运动状态下的位置变换，并且可以从 ADXL345 三轴加速度传感器中采集到三个轴的加速度信息，因此把加速度作为自变量，将人体的位置信息作为变 量。 很显然，加速度对时间的二次积分就是位移，从而 再经过 处理，就可以得到最终的位置信息。 坐标分析 通常分析一个物体所处的位置状态，所用的是笛卡儿坐标系和球面坐标系，因为从 ADXL345 中采集到的加速度信息是基于笛卡尔坐标系的，也就是通常所说的直角坐标系，因此在本论文的研究是在直角坐标系中介绍的。 如图 21，是常用的空间直角坐标系。 图 21 空间直角坐标系 三个坐标轴分别为 X 轴 ， Y 轴 ， Z 轴 ，如图 21 任意一点 P 可以表示为 （ x0，y0， z0）。 假设 X,Y,Z 三个坐标轴的单位向量为： i ， j ， k 那么 P 点的向量表示为： 0 0 0* * *r x i y j z k   (21) 在人体运动时，传感器模块也跟着做出相应的运动，因此我们可以建立一个关于人体的空间直角坐标系， 从而反映出模块的位置变化。 令 X 轴方向为正向， Y 轴方向为侧向， Z 轴方向为垂直方向， 如图 22 所示 三轴位置传感器模块设计与实现 7 图 22 人体坐标系 静止到运动 的判断 为了能够准确的测量出人体位置状态的改变，因此当人体从静止状态变为运动状态时的判断很重要。 并且对于加速度模块，即使静止的放在一个位置，它采集到的加速度信息还是有波动的，因此必须确定一个阈值，当采集到的各轴加速度变化，小于这个阈值时，认为它是静止的，大于这个阈值时则认为它开始运动了。 人体在静止状态下，加速度变化介于 － ~ 之间，因此可以将 作为判断的一个阈值。 假设加速度采样时间为 Δt，前一时刻和当前时刻的加速度值分别为 a_old 和a_new。 则运动状态发生变化时有 |a_new－ a_old|≥ ，若满足该式，则进行加速度的二次累加计算出相应的位移，若不满足，则跳过累加。 这样就确保了位移计算的准确性 位置的计算 获得位置信息，是最终的目的，因此对位置的 准确计算 很重要。 理论上计算位置根据以下过程。 设 i ， j ， k 为 x,y,z 方向的单位向量 ()xxe e t ， ()yye e t ， ()zze e t 表示 各坐标 轴随 着 时间的变化 时各轴的方向向量。 xa ， ya ， za 是 采集到 的三个加速度 ()ax , ()ay , ()az 是各空 间方向的加速度 三轴位置传感器模块设计与实现 8 则空间加速度为： ( ( ), ( ), ( ))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) 于是速度和位移分别为式 (26)、 (27) ( ) ( )v t a t dt (26) ( ) ( )s t v t dt (27) 实际采集到的加速度是离散的点，因此需要做数值 积分， 但是思路却是基于上边的方法。 因为对向量 的计算在具体的程序实现是比较困难的，所以本论文设计了一种比较容易实现的方法来求位移。 以标准的空间坐标系为基准，在运动的过程中，通过加速度传感器采集到的加速度数据都会和标准的 x,y,z 轴有一定的夹角。 因此可以先计算出夹角，然后各个坐标轴单独求加速度分量。 设 θ 为 标准空间坐标系 x 轴与加速度模块 x 轴， ψ 为标准空间坐标系 y 轴与加速度模块 y 轴， φ 为标准空间坐标系 z 轴负方向与加速度模块 z 轴夹角。 如图 23 图 23 倾斜角度图 由数学知识可以计算出 θ， ψ， φ 的值为： 三轴位置传感器模块设计与实现 9 )(t a nθ 221zyxaaa (28) )(t a n 221zxyaaa (29) )(t a n 221zyxaaa   (210) 从而只需要在采集的各轴加速度上乘以对应角度的余弦值就可以求出对应 的标准空间坐标系下 各轴的加速度， 再 进行数值积分，就能求出位置。 系统框架 由于 本课题所设计的三轴位置传感器模块 需要对数据进行采集，处理，并且显示出处理后的数据。 因此 可以分为以下几个子模块，主控模块，加速度采集模块，显示模块，电源。 图 24 是系统的整体框架 图 24 系统整体框架 其中主控模块是 8051 单片机，负责 对采集到的加速度信息进行分析处理，加速度采集模块为 ADXL345 三轴加速度传感器，显示模块为 1602 液晶显示屏，对计算出的位置予以显示，电源负责给整个传感器模块供电。 主控模块 显示模块 加 模 速 块 度 采 集 电 源 三轴位置传感器模块设计与实现 10 本章小结 本章根据三轴位置传感器模块在对人体运动 状态下 的 位置的变化测量需求 ， 首先介绍了传统的空间直接坐标，建立了人体的坐标系。 判断人体从静止状态到运动状态很重要，因为加速度计有个波动范围，因此需要有一个阈值能够判断出状态的变化。 接着分析了传统的位置计算方法，提出了改进后的位置计算方法，很明显传统的思路 虽然简单，可实际应用时却要进行向量运算，而改进后的方法只需要求出传感器各轴偏转的角度，就可以确定出标准空间坐标系上各轴的加速度值，从而只需要进行简单的数值积分就能得到位置信息。 最后设计了三轴位置传感器的整体框架。 在下面的章节，会做出更详细的设计。 三轴位置传感器模块设计与实现 11 3 三轴位置传感器的硬件设计 系统的硬件架构 根据上一章系统框架的设计，具体实现的硬件构架如图 31 所示。 该框架由四个子模块构成： 8051 单片机微处理器模块， ADXL345 加速度传感器模块， 1602 液晶显示模块，以及电平 转换模块。 I2C 总线 SDA 数据线 SCL 时钟线 图 31 硬件构架 如图 31，加速度传感器模块和 8051 单片机之间采用 I2C 总线进行通信，因为ADXL345 采用的是 供电，而单片机系统采用的是 因此必须进行电平转换。 这里使用 SN74LVC4245 芯片作为电平转换模块，加速度计采集到的信息是基于 的电信号，通过该模块，将其转换为基于 的电信号，再通过 I2C 总线送给单片机。 同样，单片机发送指令时，通过 I2C 总 线，将基于 的电信号送给电平转换模块，该模块将其转换为基于 的电信号，再送给 ADXL345 模块。 只有这样才能够采集到正确的加速度信息。 硬件设计 8051单片机模块 单片机是整个系统的核心，实现了对各模块的控制，根据本课题所设计的传感器的基本要求，单片机低功耗是必须的，还有就是能够 高速 的处理数据，以满足实STC89C52 单片机 1602 液晶显示 SN74LVC4245 电平转换 ADXL345 加速度传感器 三轴位置传感器模块设计与实现 12 时性的要求。 8031 单片机片内不带程序存储器 ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路 373。 8051 是一种 8 位元的单芯片单芯片微控制器，并且内部有 4K ROM。 本课题选用的是 STC89C52 单片机，是一种 增强型 8051 单片机。 对于传统的8051 单片机 有 1 个 8 为的 CPU，时钟电路可以提供 6 时钟 机器周期 和 12 时钟机器周期， 内部有 4KB 的 ROM 来存储程序，最大可以扩展到 64KB，而且它的数据存储器为 128B，这样就方便了数据的存储，同 ROM 一样，它也可以扩展到 64KB。 8051 单片机提供了两个 16 位的定时器有时候也叫计数器，它们可以在中断以及定时计数时使用。 总线的扩展电路为 64KB。 8051 单片机的 功耗 极低，并且拥有很高的 性能 ，是一个 8 位 的 微控制。 图 32 给出了 STC89C52 的芯片管脚图 图 32 STC89C52 管脚图 该芯片有以下特点： 1． 工作电压 范围从 到 变化，这样就方便了外设电路的集成，而不需要进行电平的转换 2． 它从 4KB 的程序存储器 ROM 扩展到了 8KB，从而可以编写更多代码的程序，以满足更多的需要。 3． 在芯片上集成的 RAM 为 512B，而传统的只有 128B。 4． 它 具有 EEPROM 功能 ，这样方便了数据的存储，不受系统掉电的影像。 三轴位置传感器模块设计与实现 13 5． 外部中断 有 4 路， 都是 下降沿中断 方式 或 者使用 低电平触发电路 6． 可以使用异步串口模式 UART， 对于程序的调试帮助很大 很明显可以看出 STC89C52 芯片，可以充分的完成本课题的需求，。