基于3轴加速度计ADXL345的跌倒检测应用
三轴加速度传感器原理应用及前景分析
三轴加速度传感器原理及应用 2012年09月09日 12:42来源：本站整理作者：胡哥我要评论(0) 三轴加速度传感器原理 MEMS换能器（Transducer）可分为传感器（Sensor）和致动器（Actuator）两类。其中传感器会接受外界的传递的物理性输入，通过感测器转换为电子信号，再最终转换为可用的信息，如加速度传感器、陀螺仪、压力传感器等。其主要感应方式是对一些微小的物理量的变化进行测量，如电阻值、电容值、应力、形变、位移等，再通过电压信号来表示这些变化量。致动器则接受来自控制器的电子信号指令，做出其要求的反应动作，如光敏开关、MEMS显示器等。 目前的加速度传感器有多种实现方式，主要可分为压电式、电容式及热感应式三种，这三种技术各有其优缺点。以电容式3轴加速度计的技术原理为例。电容式加速度计能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况。其主要为利用硅的机械性质设计出的可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿（Silicon Fingers），一组固定，另一组随即运动物体移动；前者相当于固定的电极，后者的功能则是可移动电极。当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。 当运动物体出现变速运动而产生加速度时，其内部的电极位置发生变化，就会反映到电容值的变化（ΔC），该电容差值会传送给一颗接口芯片（InteRFace Chip）并由其输出电压值。因此3轴加速度传感器必然包含一个单纯的机械性MEMS传感器和一枚ASIC接口芯片两部分，前者内部有成群移动的电子，主要测量XY及Z轴的区域，后者则将电容值的变化转换为电压输出。 文中所述的传感器和ASIC接口芯片两部分都可以采用CMOS制程来生产，而在目前的实际生产制造中，由于二者实现技术上的差异，这两部分大都会通过不同的加工流程来生产，再最终封装整合到一起成为系统单封装芯片（SiP）。封装形式可采用堆叠（Stacked）或并排（Side-by-Side）。 手持设备设计的关键之一是尺寸的小巧。目前ST采用先进LGA封装的加速度传感器的尺寸仅有3 X 5 X 1mm，十分适合便携式移动设备的应用。但考虑到用户对尺寸可能提出的进一步需求，加速度传感器的设计要实现更小的尺寸、更高的性能和更低的成本；其检测与混合讯号单元也会朝向晶圆级封装（WLP）发展。 下一代产品的设计永远是ST关注的要点。就加速度传感器的发展而言，单芯片结构自然是
三轴向高灵敏度加速度传感器
三轴向高灵敏度加速度传感器 便携式电子产品功能的增加推动了对数据驱动器存储的需求，设计人员正在寻找占用较小板卡空间的改进保护系统。飞思卡尔半导体率先推出业界第一款三轴向高灵敏度加速度传感器——MMA7260Q。MMA7260Q能在XYZ三个轴向上以极高的灵敏度读取低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，它是同类产品中的第一个单芯片三轴向加速器。 1 小巧的巨人 飞思卡尔自1980年第一个传感器问世以来，销售的传感器数量在去年已经突破了具有里程碑意义的4．5亿大关。飞思卡尔帮助客户开发产品，用以监控身边的大量产品和技术。 MEMS传感器是面向加速和压力传感器市场的支持技术。飞思卡尔将非常小的电子和机械组件包含在一个封装中，做成了MEMS传感器。这个封装还整合了集成电路(IC)。当MEMS感应、处理或控制周围环境时，它使系统的一部分能够进行信息处理。传感器适用于需要测量因倾斜、移动、定位、震动或摆动而产生的各种力，或者测量压力、高度、重量和水位的最终产品以及嵌入式系统。 飞思卡尔基于MEMS的压力传感器和加速传感器是汽车电子、保健监控设备、智能便携电子设备(如蜂窝电话、PDA、硬盘驱盘器、计算机外围设备和无线设备)等应用中的关键组件。使用MEMS传感器，您能够拥有更准确的血压监控设备；更精确的气象站气象测量；功能更高的呼吸器和反应更快、更强的游戏设备。 汽车设计人员和厂商在每辆汽车内的不同地方都要应用MEMS传感器。在加强汽车安全的应用中，加速传感器提供碰撞检测功能，并对前／侧气囊及其他汽车安全设备进行有效部署。在特殊的保健监控应用中，压力传感器为病人提供重要诊断。在蜂窝电话中，MEMS产品能用自然的手部运动(而不是推动按钮的方法)激活各种功能。 飞思卡尔开发的基于微机电系统(MEMS)的三轴向低重力加速计MMA7260Q，专门面向便携式消者电子产品。MMA7260Q的可选灵敏度允许在1．5 g、2 g、4 g和6 g的不同范围内进行设计。它的3μA睡眠模式、500μA低运行电流、1．0 ms的快速启动响应时间以及6 minx6 mm×1．45 mm的QFN小巧包装等其他特性，使围绕 MMA7260Q的设计活动轻松方便、经济高效。 MMA7260Q是一款单芯片设备，具有三轴向检测功能，使便携式设备能够智能地响应位置、方位和移动的变化。它的封装尺寸很小，只需较小的板卡空间，另外还提供快速启动和休眠模式。这些特性使MMA7260Q成为采用电池供电电子产品的理想之选，包括PDA、手机、3D游戏和数码相机等。 飞思卡尔能提供1．5~250 g的一系列加速传感器产品，使用在从高度敏感的地震监测到强劲的碰撞检测等应用中。 在三星电子最近发布的两款最新数字音频播放器(YH_J70和YP_T8)中，采用了这种传感器。YH_J70采用这种传感器，实现了通过倾斜和自由下落检测来滚动菜单的功能。在YP_T8闪存式多媒体播放器中，通过传感器的倾斜检测实现了游戏功能。 2 全方位感知 由于MMA7260Q传感器能在三个轴向上灵敏地准确测量到低重力水平的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆，各个行业的设计工程师都能得以致用。
三轴角度检测(倾角传感器MMA7455(加速度传感器))
#include 三轴加速度传感器在跌倒检测中的应用 前言 人们在跌倒后会面临双重危险。显而易见的是跌倒本身可能对人体产生伤害;另外，如果跌倒后不能得到及时的救助，可能会使结果更加恶化。例如，许多老年人由于其身体比较虚弱，自理能力和自我保护能力下降，常常会发生意外跌倒，如果得不到及时的救助，这种跌倒可能会导致非常严重的后果。有资料显示，很多严重的后果并不是由于跌倒直接造成的，而是由于跌倒后，未得到及时的处理和救护。当出现跌倒情况时，如果能够及时地通知到救助人员，将会大大地减轻由于跌倒而造成的危害。 不仅是对老人，在很多其他情况下，跌倒的报警也是非常有帮助的，尤其是从比较高的地方跌倒下来的时候。比如人们在登山，建筑，擦窗户，刷油漆和修理屋顶的时候。 这促使人们越来越热衷于对跌倒检测以及跌倒预报仪器的研制。近年来，随着iMEMS?加速度传感器技术的发展，使得设计基于三轴加速度传感器的跌倒检测器成为可能。这种跌倒检测器的基本原理是通过测量佩戴该仪器的个体在运动过程中的三个正交方向的加速度变化来感知其身体姿态的变化，并通过算法分析判断该个体是否发生跌倒情况。当个体发生跌倒时，仪器能够配合GPS模块以及无线发送模块对这一情况进行定位及报警，以便获得相应的救助。而跌倒检测器的核心部分就是判断跌倒情况是否发生的检测原理及算法。 ADXL3451是ADI公司的一款3轴、数字输出的加速度传感器。本文将在研究跌倒检测原理的基础上，提出一种基于ADXL345的新型跌倒检测解决方案。 iMEMS加速度传感器ADXL345 iMEMS 半导体技术把微型机械结构与电子电路集成在同一颗芯片上。iMEMS加速度传感器就是利用这种技术，实现对单轴、双轴甚至三轴加速度进行测量并产生模拟或数字输出的传感器。根据不同的应用，加速度传感器的测量范围从几g到几十g不等。数字输出的加速度传感器还会集成多种中断模式。这些特性可以为用户提供更加方便灵活的解决方案。 ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技术的3轴、数字输出加速度传感器。ADXL345具有+/-2g，+/-4g，+/-8g，+/-16g可变的测量范围;最高13bit分辨率;固定的4mg/LSB灵敏度;3mm*5mm*1mm超小封装;40-145uA超低功耗;标准的I2C或SPI数字接口;32级FIFO存储;以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。所有这些特性，使得ADXL345有助于大大简化跌倒检测算法，使其成为一款非常适合用于跌倒检测器应用的加速度传感器。 本文给出的跌倒检测解决方案，完全基于ADXL345内部的运动状态检测功能和中断功能，甚至不需要对加速度的具体数值进行实时读取和复杂的计算操作，可以使算法的复杂度降至最低。 中断系统 图1给出了ADXL345的系统框图及管脚定义。 概述： ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位）,测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB），能够测量不到1.0。的倾斜角度变化。该器件提供多种特殊检测功能。 活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能 可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立 映射到两个中断输岀引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先岀（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。ADXL345采用3 mm X 5 mm x 1 mm，14引脚小型超薄塑料封装。 对比常用的飞思卡尔的MMZ7260三轴加速度传感器，ADXL345，具有测量精度高、可以通过SPI或I2C 直接和单片机通讯等优点。 特性： 超低功耗：VS= 2.5 V 时（典型值），测量模式下低至23uA， 待机模式下为0.1 g A功耗随带宽自动按比例变化 用户可选的分辨率10位固定分辨率全分辨率，分辨率随g范围提高而提高， ±16g时高达13位（在所有g范围内保持4 mg/LSB的比例系数） 正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理器负荷 降至最低。单振/双振检测，活动/非活动监控，自由落体检测 电源电压范围：2.0 V 至3.6 V I / O电压范围：1.7 V至VS SPI （3线和4线）和I2C数字接口 灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚 通过串行命令可选测量范围 通过串行命令可选带宽 宽温度范围（-40°C至+85 °C） 抗冲击能力：10,000 g 无铅/符合RoHS标准 小而薄：3 mn X 5 mm x 1 mm，LGA 封装 模组尺寸：23*18*11mm （高度含插针高度 应用： 机器人控制、运动检测 过程控制，电池供电系统 硬盘驱动器（HDD）保护，单电源数据采集系统 手机，医疗仪器，游戏和定点设备，工业仪器仪表，个人导航设备 三轴加速度传感器的步态识别系统 近年来随着微机电系统的发展，加速度传感器已经广泛应用于各个领域并拥有良好的发展前景。例如在智能家居、手势识别、步态识别、跌倒检测等领域，都可以通过加速度传感器实时获得行为数据从而判断出用户的行为情况。 目前许多智能手机都内置多种传感器，通过预装软件就能够获得较精确的原始数据。本文提出一种基于三轴加速度传感器，用智能手机采集用户数据，对数据进行处理及特征提取获得特征矩阵并分类识别的方法，有效地识别了站立、走、跑、跳四种动作。 人体动作识别处理过程主要包含数据采集、预处理、特征提取和分类器识别数据采集数据采集和发送模块安装在用户端，另一个数据接收模块接在电脑终端上。 由于我们制作的采集模块很轻、很小，所以方便佩戴。当用户运动时，三轴加速度传感器会将据采集并通过无线方式发送给电脑接收模块，再通过电脑上的软件部分对采集到的数据进行分析处理，将结果输出，显示用户的实时状态。 本文使用的加速度传感器数据来自于共计６０个样本。传感器统一佩戴于腰间。本文选取了其中一位采集者的数据用于主要分析研究， 其余两位采集者的数据则用于验证由第一位采集者数据研究所得的结论，这样的做法既减小了数据处理的繁杂又能保证最终结果的准确性。预处理应用程序设置的采集时间间隔为０．１ｓ，对每一个动作的采集时间为２５ｓ。考虑到用户在采集数据一开始与将要结束时的动作不平稳可能对数据带来较大影响，前２ｓ２ｓ采集的数据将被舍弃不予分析。因原始加速度信号一般都含有噪声，为了提高数据分析结果的准确性，通常在原始加速度信号进行特征提取前对其进行去躁、归一化、加窗等预处理。通过加窗处理，不仅规整了加速度信号的长度，而且方便研究人员按照需要选择适宜的信号长度，这样有利于后续的特征提取。 许多研究人员使所示。研究人员采集的加速度传感器信号由于采集者的动作力度不同造成加速度信号的幅度差异较大，这会对之后的分类识别造成负面影响，归一化技术可以调整加速度信号的幅度，按照一定的归一化算法可以使加速度信号的幅度限定在某一数值范围内，文献[２]在识别跑、站立、跳和走路这四种动作时对四种动作的加速度信号进行了归一化；文献[３]在进行手势识别时对手势动作的加速度信号进行了归一化处理。特征提取特征提取和选择模块的作用在于从加速度信号中提取出那些表征人体行为的特征向量，处于预处理模块和分类器模块之间，是人体行为识别过程中的一个重要环节，直接影响分类识别的效果。特征的提取方法具有多样性，对于不同的识别目的，研究人员会提取不同的特征，例如为了识别分类站立和跑步，研究人员通常会选取方差和标准差这类能够反映加速度信号变化大小的特征，而为了识别分类走路和跑步，研究人员通常会选取能量 ●新特器件应用 １ＡＤＸＬ３３０简介 ＡＤＸＬ３３０是美国模拟器件公司（ＡＤＩ）新近推出的一款带有信号调理电路，可提供模拟电压输出的小量程、小尺寸、低功耗３轴加速度计。ＡＤＸＬ３３０将ｉＭＥＭＳ（微机电系统）传感器结构与信号调理结合在一起，功耗电流降低至２００μＡ（在２．０Ｖ电源电压下），比同类器件的功耗典型值低５０％。考虑到手机 和其他便携式消费类电子产品的设计要求， ＡＤＸＬ３３０采用４ｍｍ×４ｍｍ×１．４５ｍｍ小型封装， 集成了一个坚固的３轴传感器结构及其信号调理电路，该加速度计的测量动态范围是±３ｇ。单块的硅 表面具有微机电传感器和信号处理电路可实现开环加速度测量，输出的模拟电压信号与加速度成正比，它不仅可以测量静态加速度（如某个斜坡上的加速度），还可以测量动态加速度（如物体在移动、震动时产生的加速度），具有１００００ｇ额定耐冲压强度，具有良好的０ｇ偏压稳定性和良好的灵敏度。利用３轴ｉＭＥＭＳ加速度计可以实现多种功能，从而改进了 用户与便携式电子产品间的互动界面，但昂贵的价格一直是制约ｉＭＥＭＳ加速度计大规模应用的瓶颈。 ＡＤＩ推出的ＡＤＸＬ３３０大批量报价低于２．００美元／片，已经接近１美元的临界价位，预计低于１美元的３轴ＭＥＭＳ加速度计将在未来两年内面世。ＡＤＸＬ３３０可应用于蜂窝手机、ＧＰＳ导航系统、车辆 稳定控制、惯性测量单元、导航控制领域等。 ２ＡＤＸＬ３３０结构功能 ＡＤＸＬ３３０的引脚排列如图１所示。从图中可 以看出，１、４、９、１１、１３、１６是预留引脚；２引脚是自我 三轴加速度计ＡＤＸＬ３３０的特点及其应用 孟维国 （苏州大学电子信息学院，江苏苏州２１５０２１） 摘要：ＡＤＸＬ３３０是美国模拟器件公司推出的完整的三轴加速度计，可以静态或者动态测量物体的加速度，测量范围是±２ｇ。介绍了ＡＤＸＬ３３０的主要特点及其在组合导航系统中的应用。关键词：加速度计；ＡＤＸＬ３３０；ＧＰＳ；ＳＩＮＳ；组合导航系统 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标识码：Ｂ文章编号：１００６－６９７７（２００７）０２－００４７－０３ ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｒｅｅａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒＡＤＸＬ３３０ａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＭＥＮＧＷｅｉ－ｇｕｏ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＳｏｏｃｈｏｗＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＡＤＸＬ３３０ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＡＤＩ，ａｎｄｉｔｉｓａｃｏｍｐｌｅｔｅ３－ａｘｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｏｎａｓｉｎｇｌｅｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃＩＣ，ｉｔｃａｎｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｔａｔｉｃａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｓｗｅｌｌａｓｄｙｎａｍｉｃａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ， ｉｔｈａｓｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒａｎｇｅｏｆ±３ｇ．ＴｈｅｍａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＤＸＬ３３０ａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｅｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ；ＡＤＸＬ３３０；ＧＰＳ；ＳＩＮＳ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ 图１ＡＤＸＬ３３０ 引脚排列 基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计 时间：2010-11-01 来源：作者： 关键字：ADXL3453轴加速度计全功能计步器 简介 计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。 如今，先进的计步器利用MEMS（微机电系统）惯性传感器和复杂的软件来精确检测真实的步伐。MEMS惯性传感器可以更准确地检测步伐，误检率更低。MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点，因此越来越多的便携式消费电子设备开始集成计步器功能，如音乐播放器和手机等。ADI公司的3轴加速度计ADXL335, ADXL345和 ADXL346小巧纤薄，功耗极低，非常适合这种应用。 本文以对步伐特征的研究为基础，描述一个采用3轴 图1. 各轴的定义 让我们考虑步行的特性。图2描绘了一个步伐，我们将其定义为单位步行周期，图中显示了步行周期各阶段与竖向和前向加速度变化之间的关系。 图2. 步行阶段与加速度模式 图3显示了与一名跑步者的竖向、前向和侧向加速度相对应的x、y和z轴测量结果的典型图样。无论如何穿戴计步器，总有至少一个轴具有相对较大的周期性加速度变化，因此 峰值检测和针对所有三个轴上的加速度的动态阈值决策算法对于检测单位步行或跑步周期至关重要。 图3. 从一名跑步者测得的x、y和z轴加速度的典型图样 算法 步伐参数 数字滤波器：首先，为使图3所示的信号波形变得平滑，需要一个数字滤波器。可以使用四个寄存器和一个求和单元，如图4所示。当然，可以使用更多寄存器以使加速度数据更加平滑，但响应时间会变慢。 图4. 数字滤波器 图5显示了来自一名步行者所戴计步器的最活跃轴的滤波数据。对于跑步者，峰峰值会更高。 Three-axis acceleration sensor variable in capacitance under application of acceleration United States Patent 5383364 Abstract: An acceleration sensor comprises an upper semiconductor substrate having a rigid frame, four deformable beams connected with the rigid frame, and a weight portion supported by the plurality of deformable beams, a lower semiconductor substrate bonded to the rigid frame, a plurality of movable electrodes attached to the weight portion, and electrically isolated from one another, and a plurality of stationary electrodes attached to the second semiconductor substrate, and opposite to the plurality of movable electrodes for forming a plurality of variable capacitors, and the center of gravity of the weight portion is spaced from a common neutral surface of the four beams for allowing acceleration to produce bending moment exerted on the four beams, thereby causing the variable capacitors to independently change the capacitance. Inventors: Takahashi, Masaji (Tokyo, JP) Kondo, Yuji (Tokyo, JP) Application Number: 07/972537 Publication Date: 01/24/1995 Filing Date: 11/06/1992 Export Citation: Click for automatic bibliography generation Assignee: NEC Corporation (Tokyo, JP) Primary Class: 73/514.32 Other Classes: 73/514.34, 73/514.36, 361/280 International Classes: G01P15/125; G01P15/18; (IPC1-7): G01P15/125 Field of Search: 73/517R, 73/517AV, 73/517B, 361/280 View Patent Images: Download PDF 5383364 PDF help US Patent References: 5243861 Capacitive type semiconductor accelerometer 1993-09-14 Kloeck et al. 735/17R 5134881 Micro-machined accelerometer with composite material springs 1992-08-04 MMA7260 三轴加速度传感器使用手册 一、MMA7260QT的简介 MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器,采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中的选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。本产品还提供休眠模式，因而是电池充电的手持设备产品的理想之选。 二、特性： (1) 可选灵敏度(1.5g/2g/4g/6g) (2) 低功耗：500 μA (3) 休眠模式： 3 μA (4) 低压运行：2.2 V - 3.6 V (5) 6mm x 6mm x 1.45 mm的无引线四方扁平 (QFN) 封装； (6) 高灵敏度(800 mV/g @ 1.5g) (7) 快速开启 (8) 低通滤波器具备内部信号调理 (9) 设计稳定、防震能力强 (10) 无铅焊接 (11) 环保封装 (12) 成本低 三、典型应用: 三轴加速度传感器是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，典型互动应用中的加速度传感器可以用来对物体的姿态或者运动方向进行检测，比 如其中WII和iPhone中的经典应用。Nokia最新推出的手机N95利用内置的加速度传感器，让用户可以通过机身的摆动进行各种操作，包括主菜单操 作、图片浏览、切歌操作甚至进行游戏的控制等，非常全面，甚至超越了苹果 iPhone的动作感应功能的应用范畴。 基于Freescale公司MMA7260的这个三轴加速度传感器，对于普通的互动应用来讲应该是一个不错的选择， 可以用于摩托车和汽车防盗报警器，遥控航模，游戏手柄，跌倒探测，硬盘冲击保护，倾斜角度测量，电梯安全监控等需要测试加速度的地方。 基于ADXL345三轴加速度计的倾角测量系统 胡代弟,王小丽 （郑州大学西亚斯国际学院，450001） 摘要：本文提出并设计出一种倾角测量系统，该系统采用ADXL345三轴加速度传感器，实现加速度的测量，并通过计算得到X、Y、Z 三个方向的倾角值。再通过串口发送到上位机，基于LabVIEW 上位机软件，根据测得的数据，通过三维的方式重现被测物理的运动姿态。 关键词：三轴加速度传感器；LabVIEW ；倾斜角 An angle measuring system based on ADXL345 three axis accelerometer Hu Daidi,Wang Xiaoli (1.SIAS International College of Zhengzhou University，450001) Abstract ：This paper presents and designs a kind of angle measuring system.The system uses ADXL345 three axis acceleration sensor to measure the acceleration.The Y,Z and X are obtained by calculating the three directions.Through the serial port to send to the host computer,based on the LabVIEW PC software,according to the measured data,to reproduce the measured physical movement posture in three-dimensional way. Keywords ：three axis acceleration sensor;LabVIEW;tilt angle 0 引言 倾角测量广泛地应用于飞行器的姿态测量、车辆平衡性测试、肢体运动姿态等诸多领域。采用MEMS 加速度传感，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质。再通过基于LabVIEW 上位机软件，三维重现被测物理的运动姿态。 该测量系统主要由：三轴加速度传感器、单片机、上位机三部分组成。系统框图如下： 其中，三轴加速度传感器安装在被测物体上，当被测物体运动时，传感器测得加速度值。单片机通过计算转化为三轴倾角值， 再通过串口发送上位机。上位机软件根据数值三维重现运动姿态。 1 三轴加速度传感器 微电子机械系统（MEMS）是一种将微机械结构与电路集成在一块单硅芯片的半导体技术。MEMS 加速度计是基于这种技术的一种传感器，旨在实现对单轴、双轴和三轴情况下加速度的感知。 目前，三轴加速度传感器已在智能手机中得到广泛应用。手机屏幕会随着角度的不同智能旋转、 极品飞车等游戏中的方向盘 图1 系统框图 加速度传感器原理与应用简介 1、什么是加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。 2、加速度传感器一般用在哪里 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。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，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。 3、加速度传感器是如何工作的 线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F 对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。 ·压电式 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压 “三轴加速度”原理测试说明 1程序设计目标及程序运行效果说明 本案例是通过三轴加速度计ADXL345测得重力加速度在x、y、z方向的分加速度，通过分加速度计算出芯片在x、y方向的倾角，再由数码管显示出来（左边数码管显示x方向的倾角，右边显示y方向的倾角），其中按键key1实现校准功能。 2程序相关电路及工作原理说明 ADXL345通过IIC_SCL和IIC_SDA与单片机相连，单片机以IIC总线的方式对ADXL345进行读写。 2.1ADXL345原理简述 ADXL345是一款完整的3轴加速度测量系统，既可以测量运动或冲击导致的动态加速度，也能测量静止加速度，例如重力加速度，使得器件可作为倾斜传 感器使用。 初始化时，ADXL345在启动序列期间工作在100 Hz ODR，在INT1引脚上有DATA_READY中断。设置其它中断或使用FIFO时，建议所使用的寄存器在 POWER_CTL和INT_ENABLE寄存器之前进行设置。 读取数据时，DATA_READY中断信号表明数据寄存器中的三轴加速度数据已被更新。当新数据就绪时它会被置为高电平。(通过DATA_FORMAT寄存器，中断信号可设置为由低电平变为高电平)利用低-高跃迁来触发中断服务例程。可从DATAX0、DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0和DATAZ1寄存器中读取数据。为了确保数据的一致性，推荐使用多字节读取从ADXL345获取数据。 ADXL345为16位数据格式。从数据寄存器中获取加速度数据后，用户必须对数据进行重建。 DATAX0是X轴加速度的低字节寄存器，DATAX1是高字节寄存器。在13位模式下高4位是符号位。注意，可通过DATA_FORMAT寄存器设置其它数据格式POWER_CTL和INT_ENABLE寄存器之前进行设置。 同时ADXL345具有偏移寄存器，可进行偏移校准。偏移寄存器的数据格式是8位、二进制补码。偏移寄存器的分辨率为15.6 mg/LSB。如果偏移校准的精度必须高于15.6 mg/LSB，需要在处理器中进行校准。偏移寄存器将写入到寄存器的值相加来测试加速度。例如，如果偏移为+156 mg，那么应该往偏移寄存器写入?156 mg。 2.2I2C总线介绍 I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。I2C总线硬件结构图如下： 概述: ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13位）,测量范围达土16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率（3.9mg/LSB），能够测量不到1.0。的倾斜角度变化。该器件提供多种特殊检测功能。 活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能 可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立 映射到两个中断输岀引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先岀（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。ADXL345采用3 mm X 5 mm X 1 mm，14引脚小型超薄塑料圭寸装。 对比常用的飞思卡尔的MMZ7260三轴加速度传感器，ADXL345，具有测量精度高、可以通过SPI或I2C 直接和单片机通讯等优点。 特性： 超低功耗：VS= 2.5 V时（典型值），测量模式下低至23uA，待机模式下为0.1卩A功耗随带宽自动按比 例变化用户可选的分辨率10位固定分辨率全分辨率，分辨率随g范围提高而提高， ±16g时高达13位（在所有g范围内保持4 mg/LSB的比例系数）正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理器负荷降至最低。单振/双振检测，活动/非活动监控，自由落体检测电源电压范围：2.0 V至3.6 V I / O电压范围：1.7 V至VS SPI （3线和4线）和I2C数字接口灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚通过串行命令可选测量范围通过串行命令可选带宽宽温度范围（-40° C至+85 °C）抗冲击能力：10,000 g无铅/符合RoHS标准小而薄: 3 mn X 5 mm X 1 mm，LGA 封装 模组尺寸：23*18*11mm （高度含插针高度 应用： 机器人控制、运动检测过程控制，电池供电系统硬盘驱动器（HDD）保护，单电源数据采集系统手机，医疗 仪器，游戏和定点设备，工业仪器仪表，个人导航设备 电路功能与优势 ADXL345是一款小巧纤薄的低功耗三轴加速度计，可以对高达±16 g的加速度进行高分辨率（13位）测量。数字输岀数据为16位二进制补码格式，可通过SPI （3线或4线）或者I2C数字接口访问。 ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲 击导致的动态加速度。它具有高分辨率（4 mg/LSB ），能够测量约0.25。的倾角变化。使用ADXL345等数字输出加速度计时，无需进行模数转换，从而可以节省系统成本和电路板面积。此外，ADXL345内置 多种功能。活动/非活动检测、单击/双击检测以及自由落体检测均在内部完成，无需主机处理器执行任何 三轴加速度传感器在智能车控制与道路识别中的应用 三轴加速度传感器MMA7260Q可以测量智能车惯性大小，选取最佳重心位置，并能准确定位智能车处于直线、弯道、坡道、漂移等运行状态；利用加速度传感器能够提前预测路径，并判断何时刹车效果最佳。并且很好的解决了在直立行走车模的平衡与方向识别。 由此提出了一种基于三轴加速度传感器在智能车中的 控制以及路径识别的设计。该设计采用三轴加速度传感器MMA7260Q测量智能车在运动中的加速度信号，以嵌入式单片MC9S12XSl28B作为核心控制器，对加速度信号进行采样，A ／D转换，再将特征数据存储在EEPROM中。很好地解决了智能车运动路径分析的问题以及在。实时获取小车加速度，从而更加全面的获取小车的运行状态，为控制的流畅性和更好的路况识别提供了可能。 在直立行走的车模中，应用同样的原理，选择最佳重心，可以很好地解决直立行走车模的平衡以及方向识别，从而加快车模的行车速度。 实验结果证明：结合加速度传感器具有很强的抗干扰性，提取角度信息更准确，确保了智能车在直道上能够以较高的速度行驶，在弯道则能基本不失速平滑地过弯。 1. 智能车现存问题 在车模运行当中，人无法判断小车的运行状态，使用加速度传感器来监控小车的加速度，这样可以更加精确地知道小车的运行状态，而且可以通过对某个方向加速度的变化的检测来区分出坡道和非坡道。从而进行相应的策略应对。避免小车在比赛时出现停车与翻车现象。以及很好地解决了直立行走的车模中在行走过程中的平衡性。 2. MMA7260Q简介 加速度传感器是Freescale公司出品的MMA7260Q。 图1 芯片引脚定义 2.1 MMA7260Q的特性： 在一个设备中提供三轴向XYZ检测灵敏度，可选灵敏度：1.5g、2g、4g 和6g；功耗低，具有休眠模式，低压运行一般在2.2V~3.6V，能够快速启动，一般启动时间为1ms；其低噪音，封装一般为16针脚6mm x 6mm x 1.45mm无针脚型方体扁平封装（QFN）。 2.2 MMA7260Q的优点 为多功能应用提供灵活的可选量程：包括1.5g、2g 、4g 和6g；功耗低，可延长电池使用寿命开机响应时间短，最适合电池供电手持设备的休眠模式，组件数量少-节约成本和空间噪音低、灵敏度高，具有自适应功能，频率及解析度高，提供精确的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆感应灵敏度不同应用的建议重力加速度级别自由落体检测： 1g~2g 倾斜控制：1g~2g。 2.3加速度传感器应用分析 2.3.1干扰因素分析 芯片可以测试一个方向上的加速度变化。所以采用了不同的安装方式，其间要考虑到比较多的干扰因素。 传统的陀螺仪是一个机械系统部件；三轴加速度计是一个微机电系统(MEMS)元件。陀螺仪笨重，不耐冲击，无法直接产生电信号；三轴加速度计小巧、精度高，直接输出信号。 MEMS磁传感器的主要应用领域包括电子罗盘、位基服务及GPS盲点辅助定位 测量范围：+/-48 gauss 工作温度范围：-40摄氏度~ 85摄氏度 分辨率：0.3 uT/LSB (Z轴)，0.2 uT/LSB(X/Y轴) 工作电流：420 uA 待机电流：2 uA 尺寸：3×3×0.85mm 封装形式：QFN IIC/SPI接口 16bit ADC 三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度，以判别物体的运动状态，所以也称为运动传感器“，换句话说，这东西可以让我们的设备知道自己“在哪儿和去哪儿” 加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一，加速度计本质上是一个振荡系统，安装于运动载体的内部，可以用来测量载体的运动加速度 从MEMS陀螺仪的应用方向来看，陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，可与MEMS加速度计（加速计）形成优势互补，如果组合使用加速度计和陀螺仪这两种传感器，设计者就能更好地跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。 1.加速度传感器: 测角度只适用于低速或静止状态, 其主要作用是用来测试加速度； 2.陀螺仪: 不管是运动还是静止，都可以用来测试角度； 三轴加速器就是感应XYZ（立体空间三个方向，前后左右上下）轴向上的加速，比如你突然把psp2往前推，psp2就知道你是在向前加速了，从而实现类似赛车加速的操作。Axisaccelerator三轴陀螺仪是分别感应Roll（左右倾斜）、Pitch（前后倾斜）、Yaw（左右摇摆）的全方位动态信息。总之三轴加速器是检测横向加速的，三轴陀螺仪是检测角度旋转和平衡的 加速度传感器可以测量倾斜角度吗？ 不可以！ 但是，一般加速度由位移的两次微分获得。若保留了微分前的参数，可以测量角度。也就是说，这个传感器可以反映：位移、速度、加速度三种参量的话，可以用于测量倾斜角度。三轴加速度传感器在跌倒检测中的应用
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