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毕业论文基于三轴加速度传感信号采集与实时显示研究
基于三轴加速度传感信号采集与实时显示研究
摘要
虽然国际金融危机对手机和消费电子市场产生了负面影响,但主要应用于上述市场的MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems微机电系统)加速度传感器的增长势头却没有因此而改变。
据行业内相关人士指出“MEMS加速度计逐步成为手机标配的趋势不会改变。
”虽然今年MEMS加速度传感器在游戏机市场的应用有所降温,但与此同时却在其他很多新应用领域,如电子书和数码相机中找到了自己的用武之地,因此MEMS加速度器市场还将持续增长。
本设计由三轴加速度传感器MMA7260采集地球仪的实时空间位置信号,由STC12C5410AD单片机的三通道10位AD分别采集地球仪的三轴信号并对其采集信号分析处理,从中确定现地球仪所处空间位置信号,对实时采集的数据处理,加入数据校验、数据格式等方面数据处理。
单片机对这些数据处理完成后,通过串口通信发送实时数据给上位机,上位机接收数据后,在上位机的接收数据窗口中显示出,该显示可以对接收到的数据进行检测及误差分析。
通过上位机对接收到的数据进行处理提取出有效数据从中得出对应的地球仪的实时空间位置,显示出地球仪的相应图片。
【关键词】三轴加速度传感器;MMA7260Q;STC12C5410AD;串行通信;上位机
第一章绪论
1.1引言
加速度传感器是一种能够测量加速度的电子设备,广泛用于航空航天、武器系统、汽车、消费电子等。
通过加速度的测量,可以了解运动物体的运动状态。
可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车抽动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视、工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
通过测量由于重力引起的加速度,你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。
通过分析动态加速度,你可以分析出设备移动的方式。
加速度传感器可以测量两种加速度值,第一种是静态加速度,第二种是动态加速度。
所谓静态加速度是指地球的重力场,加速度传感器可以通过检测地球的重力场与加速度传感器感应轴的分量的大小来检测出倾斜角的变化。
感应轴与地球重力场的夹角,与其所承受的重力加速度是存在一种正弦函数关系,因此,可以通过倾斜便携设备实现前后左右方面的控制。
本设计就是利用加速度传感器的检测地球的重力场与加速度传感器感应轴的分量的大小来检测出倾斜角的变化功能来定位检测,以地球仪为例作为设计作品检测物检测出地球仪的实时空间位置并通过串口通信实时传输地球仪空间位置数据并在上位机上显示出实时的地球仪的图片数据。
1.2加速度传感器的应用与发展趋势
市场上占统治地位的加速度传感器是压电式、压阻式、电容式、谐振式等。
压阻式加速度传感器具有加工工艺简单,测量方法易行,等优点。
但是,温度效应严重,工作温度范围窄,并且灵敏度低,一般只有1mg左右,要继续提高灵敏度难度很大。
压电式加速度计信噪比高,灵敏度高,结构简单,但是信号处理电路较复杂,存在零漂现象不可避免,并且回零慢,不适宜连续测试。
微电容式加速度计具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力大,易于集成,不易受温度影响,功耗低,但是,存在输出特性的非线性、寄生电容、分布电容对灵敏度的影响,以及信号处理电路复杂等问题。
近些年,谐振式微机械加速度计越来越受到各国的重视,其数字化输出、高可靠性、高重复性等特点,不仅能大幅度降低微弱信号的检测难度,简化外围处理电路,而且具有优良的低频特性。
全球传感器市场正呈现出快速增长态势。
资讯公司INTECHNOCONSULTING的市场报告显示,2008年全球传感器市场容量为506亿美元,2010年全球传感器市场已突破600亿美元。
加速度、振动、速度传感器是汽车运动测量中的三种主要传感器,一直保持稳定而强劲的增长势头。
其中加速度传感器的市场增速尤为明显。
虽然国际金融危机对手机和消费电子市场产生了负面影响,但主要应用于上述市场的MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems微机电系统)加速度传感器的增长势头却没有因此而改变。
据行业内相关人士指出“MEMS加速度计逐步成为手机标配的趋势不会改变。
”虽然今年MEMS加速度传感器在游戏机市场的应用有所降温,但与此同时却在其他很多新应用领域,如电子书和数码相机中找到了自己的用武之地,因此MEMS加速度器市场还将持续增长。
从加速度传感器实现的功能来看,无论是国际知名品牌的手机,还是普通的手机,其主要功能是通过倾斜、晃动等动作来实现用户界面控制、游戏控制以及菜单浏览等操控功能。
与此同时,也有一些侧重软件开发的客户在开发一些衍生功能,例如无线鼠标。
此外,加速度传感器还可以结合其他类型的传感器(如陀螺仪)开发出性能更好的应用。
从这些新的应用我们可以看出,客户的开发正在不断深入。
从价格上看,加速度传感器今年的价格比去年同期下降了近一半,从去年的1.5-2美元降到今年的1美元以下。
这样的价格水平对于加速度传感器的普及来说,已经不会像过去那样形成那么大的障碍了。
但是,因为目前手机产品的利润率非常低,客户对元器件的价格要求非常严格,应该说,现在加速度传感器的价格也不是非常便宜,其成本也会占到低端手机整体成本的个位数百分比。
据相关机构预测,2013年加速度传感器将成为MEMS市场上最热门的产品。
该预测基于美国iSuppli发布的MEMS市场调查结果。
iSuppli预测,加速度传感器市场2010~2013年将以年均10%(CAGR)的增长率增长,2013年的销售额将达到17亿日元。
因此,预计加速度传感器将取代增长速度急速下滑的喷墨头及DLP(数字光学处理)芯片,成为MEMS市场的主角[12]。
1.3本论文的主要内容
本论文的主要内容总由五章组成,分别从加速度传感器的应用与发展趋势、理论设计、硬件设计、软件设计及设计结果各方面祥细介绍。
研究目前市场上加速度传感器的应用广泛,并将成为MEMS市场上最热门的产品之一;理论设计章节为本设计提供了加速度传感器使用,软硬件设计,下位机的实现及上位机的实现等全部理论依据;硬件设计方面介绍了下位机的硬件结构及其实现原理;软件设计方面介绍了下位机对三轴信号的采集及数据处理的实现原理及RS232通信原理,上位机可视窗口设计及上位机程序设计;最后一章对本设计作品作了整体测试及实现设计要求。
第二章地球仪信号采集与显示实现的理论设计
地球仪是南北两极以23°27'倾斜角度固定在支架上,对信号的采集提供了极大的方便性,本章节将对信息采集显示技术,三轴加速度传感器MMA7260Q及地球仪信号特点作出了分析并为接下来的设计提供理论依据。
2.1信息采集和显示技术简介
信息的采集由将非电信号转换为电信号,由G-Cell传感单元感知,经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。
人的感觉器官中接受信息最多的是视觉器官(眼睛)。
在生产和生活中,人们需要越来越多地利用丰富的视觉信息。
显示技术的任务是根据人的心理和生理特点,采用适当的方法改变光的强弱、光的波长(即颜色)和光的其他特征,组成不同形式的视觉信息。
视觉信息的表现形式一般为字符、图形和图像。
微型计算机的出现和大规模集成电路技术的发展,使显示设备的处理部件得到重大改进。
显示软件也得到相应的发展。
因此,以电子束管为基础的图形、图像、彩色显示设备的应用进入一个新的发展时期。
在计算机控制的显示设备中,显示软件是一个重要组成部分,是在计算机系统软件的基础上编制而成的。
交互式显示设备的交互能力由图形软件实现。
交互式图形显示软件一般由基本图形软件、专用图形软件和应用软件三部分组成。
在显示系统的某些应用中,需要应用三维旋转技术。
三维旋转、放大和截剖面技术在医疗、建筑设计和机械设计显示的应用中十分有用,是显示软件的一个复杂问题。
2.2 MMA7260Q三轴加速度传感简介
MMA7260是美国Freescale公司最新推出的一款低成本单芯片三轴加速度传感器.该微型电容式加速传感器融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术,并提供了四种加速度测量范围,分别为:
±1.5gn、±2gn、±4gn和±6gn.MMA7260还具有很高的灵敏度,当选择±1.5gn的测量范围时,灵敏度达到800mV/gn.它采用6mm×6mm×1.45mmQFN的封装,体积超小,只需很小的板卡空间.而且,MMA7260提供休眠模式,是电池充电的手持设备产品的理想之选.它具有三轴向检测功能,使便携式设备能够智能地回应位置、方位和移动的变化.MMA7260的其主要特性如下:
①XYZ:
具有三轴向的感应功能;
②可选的加速度范围:
±1.5gn、±2gn、±4gn和±6gn;
③低电流消耗:
500μA;
④休眠模式:
3μA;
⑤低电压运行:
2.2~3.6V;
⑥快速启动时间:
1ms;
⑦低噪音:
达到更高的分辨率、更高的精确度;
⑧超小体积:
6mm×6mm×1.45mmQFN封装;
⑨高灵敏度:
800mV/gn@1.5gn.
2.2.1 MMA7260Q结构与原理
MMA7260的功能如图1所示.X、Y、Z三个相互垂直方向上的加速度由G-Cell传感单元感知,经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。
图1 MMA7260功能框图
G-Cell传感单元是由半导体材料经微机械加工艺生产的微机械结构,整个物理模型由一对挠性轴、其支撑的极板及中间极板上的检测质量块组成.G2Cell的极板构成了两个背对背的平板电容,如图2所示.当系统被给定一加速度时,检测质量块所附属的中间极板就会偏离无加速度时的位置,这样它到一边固定极板的距离就会增加,同时到另一固定极板的距离就会减小.因此电容值也随着极板间距离的改变而改变,这就是对加速度的度量.电容值经过
容压变换器转换为电压值,进过增益放大器、滤波器和温度补偿以电压的形式作为输出信号。
图2 G-Cell单元的物理模型
2.2.2 MMA7260Q引脚配置
MMA7260的三个相互垂直的传感方向如图3所示.MMA7260的引脚配置如图3和表1所示。
表1 MMA7260引脚功能
引脚序号
引脚名称
描述
1
gn2Select1
输入逻辑电平,选择灵敏度的级别
2
gn2Select2
输入逻辑电平,选择灵敏度的级别
3
VDD
电源输入
4
VSS
电源地
5~11
N/C
悬空
12
SleepMode
休眠模式
13
ZOUT
Z方向输出电压
14
YOUT
Y方向输出电压
15
XOUT
X方向输出电压
16
N/C
悬空
图3 MMA7260的传感方向
2.2.3 MMA7260Q定位测定
坐标框架如图4所示,需要被定义为计算议案的跟踪方向:
图4协调框架
1)物体骨架(XbodyYbodyZbody):
这帧有它的起源在惯性/磁传感器,沿每个轴点敏感轴传感器的分别,这是一个固定的机构框架移动连同身体部分地方传感器单元安装,它被认为是一个局部坐标系中所有的计算。
2)横框(XhorYhorZhor):
这帧连接到一个水平面垂直于地球的引力向量,它是一个固定的全球坐标。
三个轴安排在一个右手螺旋,负方向重力定义为Zhor极的方向。
在其稳态加速度计,可直接用于测量重力矢量它总是垂直于水平面。
在这里,我们定义的跟踪达到在休息或运动状态稳定均匀的状态下由重力引起的特点1克的加速度倾斜角,然后计算出三个正交加速组件:
其中
是在测量重力矢量物体骨架。
和
是俯仰和滚动角。
对于磁强计在水平面坐着,偏航角
(也称标题或方位角)是总是计算如下:
其中
为载体地磁测量在横框。
为了计算偏航角度任何位置,方向的磁力计需数学旋转到水平面上通过变换矩阵(见图4)。
代入(5),(4)可改写为:
其中,
,
,和
磁矢表示,在本地帧,全球框架测量,并协调它们之间的轴分量。
现在,在任何稳定国家的立场,传感器的倾斜补偿偏航角,可以计算从(3),(6)式。
有两点需要加以澄清之前,我们移动到下一个阶段:
1)以上是唯一有效的算法在稳态中的假设。
任何除了加速度,由地球重力场的影响,会影响倾斜角度精度,从而在标题中错误的结果。
如果倾斜错误或不确定性,已获准为±0.5°,则加速度耐力应设置为±0.5°或±1%。
再换句话说,运动跟踪器可以假定其稳定国家的立场是,如果在这个加速度测量的范围。
2)在考虑范围
功能,计算必须考虑的磁力迹象阅读和四个象限边界的值。
其次,从角速率计算电压调节为:
其中
为角速度。
和
代表传感器的输出和零弧度/秒的偏移电压,分别为
表示该陀螺仪的灵敏度。
为该传感器角位置,计算方式是整合的角随着时间的推移吨速度:
每次传感器单元达到一个稳定的国家的立场,错误引起的漂移和陀螺仪比例因子基于不断修正的区别整合的结果和计算结果,从加速度计,磁强计测量。
这么近的闭环系统可以实现静态精度高和动态测量。
最后,地球的引力是从直接过滤掉加速度计测量,而新的加速度向量现在能够被转移到全球通过坐标转换矩阵相似(6)。
在其中,传感器单元提供6自由度信息主题,包括方向、三轴角速度、加速整合的立场。
2.3 地球仪信号特点分析
教学使用的地球仪是南北两极成23°27'的倾斜角度固定在支架上,在南北两极固定后地球仪在旋转时就沿着支架的轴在转动,所以只有二轴的加速度信号在随着地球仪的转动在改变,但是为了确定信号的地球仪是否平放在桌子或其他水平面上时就要用到第三轴加速度信号来确定,在有第三轴加速度信号就可以很好的处理现在地球仪处所的空间位置,在每转动若干个角度时就可以很好地确定实时地球仪所处的角度及空间位置。
如图4协调框架中所示的X轴、Y轴、Z轴的加速度的矢量分量可知其地球仪实时所处的空间位置状态,采集回来的加速度各矢量的值会在每转动一个刻度后前二轴的信号就会改变一刻度的数据,再加上第三轴信号确定地球仪放在水平面上,从而确定现在地球仪所在的实时位置。
2.4 本课题的设计方案
本课题总体设计理念框图如图5所示:
图5总体设计理念框图
2.4.1 信号采集模块方案
信号采集与信号处理模块上,由于要采集地球仪信号达到地球仪的空间定位提供重要数据,故要能够识别地球仪转动不同角度时的不同信号的传感器,由重力场的作用可采用加速度传感器作为不同旋转角度的信号高识别,地球仪的南北两极是固定在支架上,在旋转时只有加速度矢量的二轴分量有改变,所以可选择用二轴加速度传感器或三轴加速度传感器,但是由于物体的运动都要有参考系,故要选定一轴加速度矢量的分量信号为参考系,以确认地球仪放在水平面上,因此设计的需要采用MMA7260Q三轴加速度传感器。
2.4.2 CUP主控制模块方案
本课题设计中CUP主控制主要要求完成信号的采集,信号的提取及信号的除错,并要对上位机通信实现RS232电平信号的转换及对发送数据的加密防止干扰信号的窜入。
方案一:
采用32位的LPC2138作为控制CPU,LPC2138采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核的ARM芯片,拥有RDI标准接口、同步Flash刷新技术以及影射寄存器窗口等三项国内ARM仿真器设计最领先的3种技术,内部PLL锁相环倍频可以得到更高的CPU处理速度,硬件自带的AD、DA、捕获、匹配以及同步与异步的通信方式更方便用户的编程设计,并且可以达到很高的实时性,但是价格较昂贵。
方案二:
采用宏晶科技有限公司的STC12C系列的5410AD单片机作为控制CPU,该单片机拥有4路PCA捕获/匹配,8路10位高速A/D转换,转换速度可以达到30万次每秒,且价格便宜,使用于各种仪器与工业控制。
综上所述,由于使用ARM芯片LPC2138控制需要对所有的接口做电平转换,增加了硬件电路的复杂性,以及电路的仿真、测试、下载不够便利,在同样能够完成功能的前提下考虑到性价比与设计的便利性本系统选择使用STC12C5410AD的单片机作为CPU的控制核心。
2.4.3 数据通信处理及上位机显示
数据通信方面采用RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准,具有独特的±15KV人体静电保护措施,兼容5V逻辑输入,内含3路接收、5路发送串行通信接口,最大数据传输速率可达250kbps。
该芯片的最大特点是,在串行口无数据输入的情况下,可以灵活的进行电源管理,采用MAX232为RS-232电平转换芯片,MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
上位机显示方面采用微软开发的可视化的开发环境软件语言以VisualBasic2005VisualBasic2005已经进入一个全新的开发环境,架构也作了变更,并且是完全的面向对象,在面向对象中所必须具备的封装、继承、多态均一应俱全。
VisualBasic继承了BASIC语言简单易学的优点,又增加了许多新的功能,它采用面向对象与事件驱动的程序设计思想,使编程变得更加方便,快捷。
使用VisualBasic既可以开发个人或小组使用的小型工具,又可以开发多媒体软件,数据库应用程序,网络应用程序等大型软件。
2.5 本章小结
本章是对地球仪信号采集与显示方面的实现理论设计作了整体分析研究,对信息的采集与显示技术作了简要分析,对MMA7260三轴加速度传感器简要概述,对地球仪信号特点作了具体研究及对本课题设计方案也作了祥细的分析论证。
为基于MMA7260三轴加速度传感器的研究与开发提供了理论依据。
第三章MMA7260Q三轴加速度传感器的硬件设计
硬件是基础,是整个系统的躯体。
本章节将主要地述说硬件设计的总体方案及对电源模块、单片机最小系统、串行通信模块及三轴加速度方位检测模块作了祥细说明设计要求。
3.1总系统硬件结构
该系统硬件总体可分为电源模块、单片机最小系统模块、串行通信模块、三轴加速度检测模块,总系统硬件结构方框图如图5所示:
图5总系统硬件结构方框图
以上各模块功能:
电源模块主要为各电路模块提供电源,主要以DC5V电源为主,在三轴加速度传感器模块电路中加入了DC-5V转DC-3.3V的三端稳压管LM1117-3.3V对三轴加速度传感器提供电源;三轴加速度检测模块中加入RC低通滤波器后再通过10位ADC对三轴信号的检测提取其空间位置;单片机最小系统模块主要由时钟电路、复位电路组成,主要负责对三轴信号的检测及提取地球仪的空间位置信号并对数据进行转换能过串行口(TXD、RXD)发送数据给上位机;串行通信模块主要对单片机发送的数据TTL信号转换为上位机能够读取的信号RS-232;上位机显示方面,采用VisualBasic2005设计对下位机发送的数据读取显示实时接收到的数据并除错,然后通过正确数据显示出实时地球仪的空间位置信息。
3.2电源模块
电源电路采用鸿海科技HN2E5-05型号的开关电源模块,该模块输入AC176~264V,输出DC5V0.5A。
该模块具有宽电压输入,稳定5V电源输出,并且输出功能2.5W。
表2
输入:
输入电压:
AC176~264V
频率:
47~440Hz
冲击电流:
16A/AC220V
输出:
5V0.5A
线性调整<1%的输出电压
纹波及噪声<1%的输出电压(mVP-P)
温度系数±0.2%
维持时间20ms
保护功能:
过流超过标称值的115%~135%动作
短路保护自动恢复
效率:
68%
主电路主要由使用DC-5V电源,实验室库房库存大、体积小并且满足本设计系统要求,故选用鸿海科技HN2E5-05型号的开关电源模块为DC-5V电源供电,又由于三轴加速度传感器MMA7260低电压运行(2.2~3.6V)在本设计中采用LM1117-3.3V三端稳压管,由于该芯片输出电压稳定、输出电流800mA满足三轴加速度传感供应电源,实验室库房库存大且该芯片采用SQT-223封装体积小易于集成在三轴加速度传感器空间方位检测模块中。
3.3单片机最小系统模块
采用宏晶科技有限公司的STC12C5410AD单片机作为控制CPU,该单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机,是高速/低功耗的新一代8051单片机,全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
STC12C5410AD单片机中包含中央处理器、程序存储器(Flash)、数据存储器(RAM)、EEPROM、定时/计数器、I/O接口、UART接口和中断系统、SPI接口、高速A/D转换模块、PWM(或捕捉/比较单元)以及硬件看门狗、电源监控、片内RC振荡器等模块。
可以说STC12C5410AD单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块,可称得上一个片上系统(SOC),可以很容易地构成典型的测控系统。
本系统设计主要运用其串口通信、三路10位高速AD转换模块
图6单片机最小系统
3.3.1复位电路设计
在时钟电路工作后,只要在单片机的复位(RST)脚上出现24个时钟振荡脉冲(也就是2个机器周期)以上的高电平,单片机实现复位。
传统的复位方法有阻容上电复位和按键电平复位如图。
本设计具有上电复位、按键手动复位两种功能。
利用R30和C10充放电原理实现的复位电路,从外部给RST脚2个机器周期以上的高电平。
当STC12C5410AD的RST引脚到高电平时,单片机就会复位。
复位后,单片机就从0000H地址开始执行程序。
P0~P3四个并行接口全为高电平,其他寄存器全部清零,只有SBUF寄存器状态不确定。
3.3.2时钟电路设计
时钟电路采用内部时钟利用单片机内部一个高增益的反向放大器,把一个晶振和两个野心家器组成的自激振荡电路接到XTAL1(⑦脚)和XTAL2(⑥脚)之间。
这样,振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。
晶振采用11.0592M,起振电容采用30pF。
3.4串行通信模块
RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准,其中EIA(ElectronicIndustryAssociation)代表美国电子工业协会,RS(recommededstandard)代表推荐标准,232是标识号,C代表RS232的最新一次修改(1969),在这之前,有RS232B、RS232A。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
目前在PC机上的COM1、COM2接口就是RS-232C接口。
具有独特的±15KV人体静电保护措施,兼容5V逻辑输入,内含3路接收、5路发送串行通信接口,最大数据传输速率可达250kbps。
该芯片的最大特点是,在串行口无数据输入的情况下,可以灵活的进行电源管理,即当FORCEON(13脚)为低电平、/FORCEOFF(14脚)为高电平时,Auto-PowerdownPlus功能有效。
在正常运行模式下,约30秒事件内若芯片在接收和发送引脚没有检测到有效信号,将自动进入Powerdown模式,此时耗电1uA。
如果FORCEON和/FORCEOFF引脚均为高电平,那么Auto-PowerdownPlus功能失效。
在Auto-PowerdownPlus功能有效的时,如果检测到接收或发送引脚有信号输入,该芯片自动被激活,转入正常工作状态。
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