1、沈阳化工基于MEMS加速度器计步器设计毕业设计答辩成绩90分以上分类号： TP29 编号：BY 15 5279 11/12/2 科 14-0801 沈阳化工大学 本科毕业论文 题 目：基于MEMS加速度器计步器设计 院 系： XXXXXXXX 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： XXXXXXXXXXX 学生姓名： XXXXXX 指导教师： XXXXXX 论文提交日期： 2012年 6 月 15 日论文答辩日期： 2012年 6 月 18 日毕业设计（论文）任务书专业：电气工程及其自动化班级：0801班学生：XXXX毕业设计（论文）题目： 基于MEMS加速度器计步器设计 毕业设计（论文）内容
2、：利用人跑步和行走时的三个坐标轴的加速度变化规律，判断人的步数，并根据步距和行走方位，推出人行走位置。毕业设计（论文）专题部分： 1.熟悉三轴加速度计的原理。2通过三轴加速度计的各参数算法对三轴加速度计的计步器进行研究。起止时间：2012年3月-2012年6月指导教师： 签字 年 月 日教研主任： 签字 年 月 日学院院长： 签字 年 月 日第一章 引言1.1研究背景目前随着数字化时代的到来，越来越多的手持设备，例如手机、MP3和PMP等等，都要增加健康或者运动的功能。计步器作为一种测量仪器，可以计算行走的步数和消耗的能量，就成为在这些手持设备上增加的功能之一。计步器的构成有机械式和电子式两种
3、。机械式的计步器利用人体行走时的振动引起计步器内部簧片或者弹力小球的振动来产生电子脉冲，内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。这种机械式方式的成本比较低，但是它的准确性和灵敏度很低。1.2国内外的研究现状随着社会的发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们也越来越关注自己的健康。计步器作为一种测量仪器，可以计算行走的步数和消耗的能量，所以人们可以定量的制定运动方案来健身，并根据运行情况来分析人体的健康状况，因而越发流行。手持式的电子计步器是适应市场需求的设计，使用起来简单方便。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
4、一个摆锤左右摆动敲击挡块。电子计步器主要由振动传感器和电子计数器组成。人在步行时重心都要有一点上下移动。以腰部的上下位移最为明显，所以记步器挂在腰带上最为适宜。所谓的振动传感器其实就是一个平衡锤在上下振动时平衡被破坏使一个触点能出现通/断动作，由电子计数器记录并显示就完成了主要功能，其他的热量消耗，路程换算均由电路完成。计步器中一般采用一种加速度计来感受外界的震动。常用的加速度计原理如下：在一段塑料管中密封着一小块磁铁，管外缠绕着线圈，当塑料管运动时，磁铁由于惯性在管中反向运动，切割线圈，由于电磁感应，线圈中产生电流，人体运动时，上下起伏的加速度近似为正弦过程，线圈的输出电流也是正弦波，测量正
5、弦波的频率就可以得出运动的步数，再计算的出速度，距离，和消耗卡路里1。随着手机功能的逐渐增多，在手机上实现一些与健康有关的功能也已成为一种热点，例如计步器功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况。比如人在运动时会产生加速度，因此采集到加速度数据以后加以适当的算法就可以实现计步功能。这是一款基于加速度传感器ADXL345的计步器。该计步器系统上还具有USB接口，可与PC机进行高速数据传输。本文介绍了利用人运动时产生的加速度变化来检测步数的计步器实现方案，利用具有体积小，功耗低，三轴高精度加速度传感器ADXL345，芯片内部即可把数据采集来的数据处理为数字数据，同时芯片中还集成了SPI和I
6、C接口，可以方便地将数据传输到毛控芯片。该系统设计设计简单，实现方便。该芯片也可以扩展到其它需要测量加速度的应用场合，具有广阔的应用场景。其中ADXL345是一款超低功耗小巧纤薄的3轴加速计，可以对高达16g的加速度进行高分辨率（13位）测量。数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI（3线或4线）或者IC数字接口访问。 ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度。它的高分辨率（4mg/LSB）能够分辨仅为0.25的倾角变化。它提供一系列特殊的感测功能。动态和静态感测功能可以检测有无运动发生，以及在任何轴上的加速度
7、是否超过用户设置的水平。点击感测功能可以检测单击和双击动作。自由落体感测功能可以检测该设备是否正在掉落。这些功能可以映射到中断信号输出的引脚上。一个集成的32级FIFO可用于储存数据，从而最小化对主处理器的影响。ADXL345的特点如下2：（1） 超低功耗：Vs = 2.5V时（典型值），测量模式下低至23uA，待机模式下为0.1uA。（2） 功耗随带宽自动按比例变化。（3） 用户可选的分辨率：10位固定分辨率；全分辨率，分辨率随g范围而提高，16g时高达13位（在所有范围内保持4mg/LSB的比例系数）。（4） 正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理负荷降至最低。（
8、5） 单振/双振检测。（6） 活动/非活动监控。（7） 自由落体检测。（8） 电源电压范围：2.0V至3.6V。（9） I/O电压范围：1.7V至Vs。（10）SPI（3线和4线）和IC数字接口。（11）灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚。（12）抗冲击能力：10000g。（13）无铅/符合RoHS标准。（14）小而薄：3mm5mm1mm，LGA封装。低功耗模式使具有阈值感测和运动加速度测量功能的ADXL345智能功率管理的功耗极低。ADXL345采用14引脚塑料封装，具有3mm 5mm 1mm的小巧纤薄的外形尺寸。方向感应器的实现靠的是iPhone的内置加速计3。iPhone所采用的加速计
9、是三轴加速计，分为X轴、Y轴和Z轴。这三个轴所构成的立体空间足以侦测到你在iPhone上的各种动作。在实际应用时通常是以这三个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算iPhone倾斜的角度，从而计算出重力加速度的值。通过感知特定方向的惯性力总量，加速计可以测量出加速度和重力。iPhone的三轴加速计意味着它能够检测到三维空间中的运动或重力引力。因此，加速计不但可以指示握持电话的方式（或自动旋转功能），而且如果电话放在桌子上的话，还可以指示电话的正面朝上还是朝下。 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
10、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出引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理负荷降至最低，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。1.3研究的目的和意义如今，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
11、音乐播放器和手机等。为了达到准确性，在运动过程中，分析了3个不同方向的加速度数据：前向、纵向和侧向。利用人运动时产生加速度变化来检测步数的计步器，在实测时计步器的精度达到96%，已经比较不错，能较好的实现计步功能。而且体积小，工作电流只有1mA-1.5mA，低功耗，非常适合应用于手持式设备。这种基于三轴加速度计的计步器在人们日常生活中可以简单方便的应用。1.4论文结构 本文共分为六章： 第一章为引言部分，介绍了计步器设计的研究背景，给出了本文的研究内容、国内外的研究现状、目的和意义，提出了本文的设计指标。第二章为芯片的概述，介绍了3轴加速度计ADXL345的特点及其功能，SPI接口，STC89
12、C52单片机的特点及其功能等。第三章介绍了系统硬件的简单模块，系统硬件模块主要包括传感器电路连接模块，微处理器模块，显示模块等。第四章为系统的软件设计。给出了软件的总体设计和计步器算法的实现。第五章为实验数据和结论。第二章 芯片简介2.1 三轴加速度计ADXL345的性能规格2.1.1三轴加速度计ADXL345的简介ADXL345是一款超低功耗小巧纤薄的3轴加速计，可以对高达16g的加速度进行高分辨率（13位）测量。数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI（3线或4线）或者IC数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者
13、振动中生成动态加速度。它的高分辨率（4mg/LSB）能够分辨仅为0.25的倾角变化。它提供一系列特殊的感测功能。动态和静态感测功能可以检测有无运动发生，以及在任何轴上的加速度是否超过用户设置的水平。点击感测功能可以检测单击和双击动作。自由落体感测功能可以检测该设备是否正在掉落。这些功能可以映射到中断信号输出的引脚上。一个集成的32级FIFO可用于储存数据，从而最小化对主处理器的影响。2.1.2三轴加速度计ADXL345的特点（1） 超低功耗：Vs = 2.5V时（典型值），测量模式下低至23uA，待机模式下为0.1uA。（2） 功耗随带宽自动按比例变化。（3） 用户可选的分辨率：10位固定分辨
14、率；全分辨率，分辨率随g范围而提高，16g时高达13位（在所有范围内保持4mg/LSB的比例系数）。（4） 正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理负荷降至最低。（5） 单振/双振检测。（6） 活动/非活动监控。（7） 自由落体检测。（8） 电源电压范围：2.0V至3.6V。（9） I/O电压范围：1.7V至Vs。 （10）SPI（3线和4线）和IC数字接口。（11）灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚。（12）抗冲击能力：10000g。（13）无铅/符合RoHS标准。 （14）小而薄：3mm5mm1mm，LGA封装。低功耗模式使具有阈值感测和运动加速度测量功能的ADX
15、L345智能功率管理的功耗极低。ADXL345采用14引脚塑料封装，具有3mm 5mm 1mm的小巧纤薄的外形尺寸。方向感应器的实现靠的是iPhone的内置加速计。iPhone所采用的加速计是三轴加速计，分为X轴、Y轴和Z轴。这三个轴所构成的立体空间足以侦测到你在iPhone上的各种动作。在实际应用时通常是以这三个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算iPhone倾斜的角度，从而计算出重力加速度的值4。通过感知特定方向的惯性力总量，加速计可以测量出加速度和重力。iPhone的三轴加速计意味着它能够检测到三维空间中的运动或重力引力。因此，加速计不但可以指示握持电话的方式（或自动旋转功能），而且如果
16、电话放在桌子上的话，还可以指示电话的正面朝上还是朝下。ADXL345功能框图如下：图2.1 ADXL345功能框图图2.2 ADXL345引脚图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出引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理负荷降至最低，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
17、加速度测量5。ADXL345采用3 mm 5 mm 1 mm，14引脚小型超薄塑料封装。鉴于对成本及模拟输出的考虑，ADXL345加速度计更适合，因此，本次设计采用的是ADXL345三轴加速度计。2.1.3三轴加速度计ADXL345的通信模式串行通信可采用和SPI数字通信【4】。上述两种情况下，ADXL345作为从机运行。CS引脚上拉至VDD I/O，I2C模式使能。CS引脚应始终上拉至VDD I/O或由外部控制器驱动，因为CS引脚无连接时，默认模式不存在。因此，如果没有采取这些措施，可能会导致该器件无法通信。SPI模式下，CS引脚由总线主机控制。SPI和I2C两种操作模式下，ADXL345写
18、入期间，应忽略从ADXL345传输到主器件的数据。SPI对于SPI，可3线或4线配置，如图34和图35的连接图所示。在DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)中，选择4线模式清除SPI位(位D6)，选择3线模式则设置SPI位。最大负载为100 pF时，最大SPI时钟速度为5 MHz，时序方案按照时钟极性(CPOL)= 1、时钟相位(CPHA)= 1执行。如果主处理器的时钟极性和相位配置之前，将电源施加到ADXL345，CS引脚应在时钟极性和相位改变之前连接至高电平。使用3线SPI时，推荐将SDO引脚上拉至VDD I/O抑或通过10 k电阻下拉至接地。图2.3 线式SPI连接图图2.4 线式
19、SPI连接图CS为串行端口使能线，由SPI主机控制。如图所示，此线必须在传输起点变为低电平，传输终点变为高电平。SCLK为串行端口时钟，由SPI主机提供。无传输期间，SCLK为空闲高电平状态。SDI和SDO分别为串行数据输入和输出。SCLK下降沿时数据更新，SCLK上升沿时进行采样。要在单次传输内读取或写入多个字节，必须设置位于第一个字节传输(MB，图36至图38)R/W位后的多字节位。寄存器寻址和数据的第一个字节后，时钟脉冲的随后每次设置(8个时钟脉冲)导致ADXL345指向下一个寄存器的读取/写入。时钟脉冲停止后，移位才随之中止，CS失效。要执行不同不连续寄存器的读取或写入，传输之间 CS
20、必须失效，新寄存器另行处理。图38显示了3线式SPI读取或写入的时序图。图2.5和图2.6分别显示了4线式SPI读取和写入的时序图。要进行该器件的正确操作，任何时候都必须满足表9和表10中的逻辑阈值和时序参数。SPI通信速率大于或等于2 MHz时，推荐采用3200 Hz和1600Hz的输出数据速率。只有通信速度大于或等于400kHz时，推荐使用800 Hz的输出数据速率，剩余的数据传输速率按比例增减。例如，200 Hz输出数据速率时，推荐的最低通信速度为100kHz。以高于推荐的最大值输出数据速率运行，可能会对加速度数据产生不良影响，包括采样丢失或额外噪声。图2.5 线式SPI写入图2.6线式
21、SPI读取图2.7线式SPI读取、写入I2C如图2.8所示，CS引脚拉高至VDD I/O，ADXL345处于I2C模式6，需要简单2线式连接。ADXL345符合UM10204 I2C总线规范和用户手册03版(2007年6月19日，NXP Semiconductors提供)。如果满足了表11和表12列出的总线参数，便能支持标准(100 kHz)和快速(400 kHz)数据传输模式。如图40所示，支持单个或多个字节的读取/写入。ALT ADDRESS引脚处于高电平，器件的7位I2C地址是0x1D，随后为R/W位。这转化为0x3A写入，0x3B读取。通过ALT ADDRESS引脚(引脚12)接地，可
22、以选择备用I2C地址0x53(随后为R/W位)。这转化为0xA6写入，0xA7读取。对于任何不使用的引脚，没有内部上拉或下拉电阻，因此，CS引脚或ALT ADDRESS引脚悬空或不连接时，任何已知状态或默认状态不存在。使用I2C时， CS引脚必须连接至VDD I/O，ALT ADDRESS引脚必须连接至任一VDD I/O或接地。由于通信速度限制，使用400 kHz I2C时，最大输出数据速率为800 Hz，与I2C通信速度按比例呈线性变化。例如，使用100 kHz I2C时，ODR最大限值为200 Hz。以高于推荐的最大值和最小值范围的输出数据速率运行，可能会对加速度数据产生不良影响，包括采样
23、丢失或额外噪声。图2.8 I2C连接图如果有其他器件连接到同一I2C总线，这些器件的额定工作电压电平不能高于VDD I/O 0.3V以上。I2C正确操作需要外接上拉电阻RP。为确保正确操作，选择上拉电阻值时，请参考UM10204 I2C总线规范和用户手册03版(2007年6月19日)。图2.9 I2C时序图3.1 控制器本系统基于51系列单片机来实现，因为系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了STC89C52通用的比较普通单片机来实现系统设计。3.1.1 STC89C52 简介STC89C52是国内STC公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读
24、程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大AT89CSl单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.1.2 STC89C52 的特点与MCS-51产品指令系统完全兼容8k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：OHz-24MHz三级加密程序存储器128*8字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式3.1.
25、3 STC89C52的结构此次设计所使用的STC89C52 的封装形式是DIP40。如图3.1 所示。图3.1 STC89C52 的封装形式引脚功能：Vcc：电源电压GND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。Pl口：P1是个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电萌。
26、P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1 所示。表3.1 P3 口的第二功能RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存
27、储器，ALE仍以时钟振器频率的16输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EAVPP：EA 0，单片机只访问外部程序存储器。EA 1，单片机访问内部程序存储器。XTALI：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。第三章 系统硬件部分模块介绍3.1 传感器电路连接模块加速度计时测量运载体线加速度的仪表。在飞行控制
28、系统中，加速度计是重要的动态特性校正原件。在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的敏感原件之一。在各类飞行器的飞行试验中，加速度计是研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具8。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2, 4, 8，16g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IC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于
29、跌倒检测器应用的加速度传感器。本为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，可以使算法的复杂性降至最低。3.1.1传感器模块连接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是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率
30、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。如图3.1所示，为传感器底座，接口电路连接：图3.1 传感器连接模块 此模块电路主要功能就用于做ADXL345加速度传感器的一个转接口，而且利用ADXL345该加速度传感器产生相应的变化值。相当于整个系统的信号产生模块。3.2 微处理器模块51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的
31、统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。当前常用的51系列单片机主要产品有：*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。3.3 显示模块液晶显示器，或称LCD（Liquid Crystal Display），为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶
