基于三轴加速度传感器的跌倒探测仪.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y本本 科科 毕毕 业业 论论 文文基于三轴加速度传感器的跌倒探测仪基于三轴加速度传感器的跌倒探测仪学 生 姓 名： 柏 桂 桦 专 业 班 级： J 机电 0903 学 号： 3091102080 指 导 教 师： 王 权 指导教师职称： 副教授 江 苏 大 学 本 科 学 位 论文摘 要在整个社会步入老年化的如今，每年有数十万老年人因意外跌倒造成骨折、脑溢血、心脏病突发等。许多人因此失去了生命，本项目的意义在于设计一种仪器能够检测到人的意外跌倒，并将信息传送给系统中心，如医院，减少因意外跌倒引起的损失。本文研制了一种人体跌倒探测装置，该装置使用 MC9S08QG8 微处理器作为控制和算法处理核心，通过连续监测的 MMA7260QT 三轴加速度传感器的输出，从而对被测人体的身体姿态和运动进行计算和分析。当检测到被测人体出现异常跌倒情况时，能够通过无线通信的方式，告知应急处理服务中心，并报告发生跌倒的位置，以便于对这些可能产生严重后果的个体进行救助，并及时处理。测试表明，本装置能够检测到多种可能会产生严重后果的人体跌倒方式，并及时将这一情况有效的进行发布。所以本装置适用于自我保护能力比较差的老年人和儿童。跌倒探测仪由加速度传感器、数据处理模块、电源和通信模块构成。其中传感器测量对象的加速度矢量；处理器模块负责采集加速度传感器的数据，分析判断对象的身体姿态并控制报警及报警信息的发布；电源模块负责为整个系统提供电力供给；通信模块负责将报警信息通过一定的协议进行发布。关键词关键词: :跌倒；探测仪；加速度传感器；信号传输；信号江 苏 大 学 本 科 学 位 论文AbstractWith the whole society into aging now, many people lost their lives each year because of falling accident. The purpose of this paper is to design a kind of instrument that can detect people from falling accident. The signal will be sent to the system center to reduce the loss.This paper presents a body fall detection devices. This device uses MC9S08QG8 microprocessor as the core of control and algorithm. The signal can be monitored with tri-axial accelerometer to calculate and analyze of body posture and movement. The abnormal fall can be read by ways of wireless communication to inform the emergency treatment service center and to report the fall position. This system is to aid and help the people who are seriously injured. This device can detect various severe consequences which are caused by human fall. This situation can be handled effectively and in time. Fall detectors consist of acceleration sensor, data processing modules, and power and telecommunication module. Sensors measure acceleration. CPU module is responsible for collecting dates of accelerometer to analyze body posture and send alarm messages. Telecommunication module will alarm information. So this device may be widely applied to the elderly and children protection.Key words: fall detectors；acceleration sensor；signal transmission；signal feedback目 录I目 录第一章第一章 绪绪 论论.11.1 跌倒探测仪的意义.11.2 本课题的研究理论方法.21.3 本文的内容.2第二章第二章人体建模人体建模.42.1 人体跌倒检测的基本特征.42.2 人体运动模型的建立.4第三章第三章三轴加速度传感器三轴加速度传感器.63.1 热对流式加速度传感器.63.1.1 引言.63.1.2 工作原理.63.1.3 优点.73.1.4 消费电子产品的特点.83.2 静电悬浮式三轴加速度传感器.93.2.1 引言.93.2.2 结构设计.93.2.3静电悬浮原理.103.2.4 电容位移检测原理.103.2.5 加速度测量原理.103.2.6 参数设计.113.2.7 设计结果与讨论.113.2.8 误差来源及改进措施.123.3 压电式加速度传感器.133.3.1 压电式加速度计的结构.133.3.2 压电式加速度计的灵敏度.14江 苏 大 学 本 科 学 位 论文II3.3.3 压电加速度计的前置放大器.143.3.4 压电式速度传感器.153.4 压阻式三轴加速度传感器.153.4.1 工作原理.153.5 MMA7260Q 三轴向高灵敏度加速度传感器.163.5.1 引言.163.5.2 典型应用.173.5.3 实现最佳效果的开发工具.173.5.4 MMA7260Q 的特性.173.5.5 MMA7260Q 的优点.18第四章第四章 信号传输信号传输.194.1 引言.194.2 系统方案设计.194.3 系统结构设计.194.4 硬件设计.204.4.1 加速度采集电路.204.4.2 MCU 外围电路.204.4.3 液晶显示.224.4.4 通信模块.224.4.5 端口分配.234.4.6 事务处理及状态机.244.4.7 系统设置.254.4.8 按键功能.254.4.9 计步器.264.4.10 跌倒检测.274.4.11 报警处理.274.4.12 通信控制.28第五章 加速度传感器的电子笔数据采集系统的设计与实现.305.1 引言 .30目 录III5.2 系统总体框架图.305.3USB 数据采集系统.31 5.4 LABVIEW 上位机系统 .34第六章第六章 总结和展望总结和展望.30参考文献参考文献.38致致 谢谢.42附录附录 A附录附录 B附录附录 C附录附录 D江 苏 大 学 本 科 学 位 论文江 苏 大 学 本 科 学 位 论文0第一章 绪 论1.1 跌倒探测仪的意义老年人和儿童的自理能力和自我保护能力比较差，由于扭伤、绊倒或自身疾病比如心脑血管疾病等等因素，常常会造成这部分人群中个体的意外跌倒，老年人的跌倒现象非常普遍，每年约30%的老年人跌倒一次或多次，而跌倒的危险随着年龄增加而增高，80岁以上的老年人跌倒的年发生率高达50%80%。与社会上一般老年人比较，那些生活在长期护理状态下的老年人更易跌倒，在美国老年护理院，平均每年有一半以上能行走的老年人发生跌倒。跌倒既能直接损害老年人的机体，又能间接阻碍老年人的活动，降低生活质量。（如图1.1）图图 1-1 老年人跌倒图老年人跌倒图 跌倒是65岁以上老年人第6位的死亡原因。有资料表明，在美国每年将近1万人因跌倒而导致死亡。在我国，上海中山医院调查了738例老年患者意外死亡的原因，因跌倒而引起的占48.2%。10%-15%的跌倒可导致严重损伤，约5%引起骨折（主要是股骨外科颈与挠骨远端） ，1/4为较严重的髋部骨折（股骨颈及粗隆间） ，且多发生于身体旋转时的跌倒。北京积水潭医院13339例骨折资料表明，生活伤（其中以跌倒多见）占51.9%。另据调查，因跌倒造成骨折的65-70岁的男性占18%，女性占27%，75岁以上男性占30%，妇女占40%。日本有研究报道，股骨颈骨折几乎全部是跌倒所致。另外，跌倒会造成脑部损伤、软组织损伤等伤害。跌倒还可使一些老年人第一章 绪 论1丧失自信心，1/4跌倒者因害怕再次跌倒而限制自己的日常生活活动，最终可能引起卧床不起。有一些人因衰弱、损伤或急性病跌倒后不能站立起来，若不提供救护，他们可能会发生脱水、低血压，甚至死亡。老年人跌倒损伤可造成很大的医药护理花费，我国因老年人口比例高，基数大，这一花费可能更为巨大。因此，意外摔倒如果得不到及时的救助，这种跌倒经常会导致比较严重的后果。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，导致患者心理负担加重，合并饥饿和寒冷等外界因素共同造成的。对儿童来说，意外伤害中最主要的因素就是跌倒，约占总意外伤害的 43%。当出现跌倒情况时，如果能够及时的通知其家人或所在地点的救助人员，将会大大减轻由于跌倒损伤对这些个体造成的伤害。可见跌倒探测仪的意义非常重要。1.2 本课题的研究理论方法本项目可以在人体跌落状态发生时进行识别与分析。跌倒探测仪适用于自理能力和自我保护能力比较差的老年人和儿童，它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上的加速度来感知其身体姿态的变化，并可按照需要进行报警和发布。跌倒探测仪由加速度传感器、数据处理模块、电源和通信模块构成。其中传感器测量对象的加速度矢量；处理器模块负责采集加速度传感器的数据，分析判断对象的身体姿态并控制报警及报警信息的发布；电源模块负责为整个系统提供电力供给；通信模块负责将报警信息通过一定的协议进行发布。图图 1-2 跌倒仪系统设置图跌倒仪系统设置图江 苏 大 学 本 科 学 位 论文21.3 本文的内容本文首先从人体的运动分析入手，即人体运动模型的建立。对人体的跌倒进行了运动的分析。第三章对目前一些主流三轴加速度传感器（热对流式加速度传感器，静电悬浮式三轴加速度传感器，压电式加速度传感器，压阻式三轴加速度传感器，MMA7260Q三轴向高灵敏度加速度传感器）进行了简单的介绍。第四章从三块设计（即系统方案设计，系统结构设计，硬件设计）入手。对信号传输进行了详细的设计。其中硬件设计较为复杂，包括了加速度采集电路、MCU外围电路、液晶显示、通信模块、端口分配、事务处理及状态机、系统设置、按键功能、计步器、跌倒检测、报警处理、通信控制。最后对探测仪做了一些总结和展望。第二章 人体建模3第二章 人体建模2.1 人体跌倒检测的基本特征为了判断出一个人的跌倒位置，根据实验我发现有三个特征可以有效地捕捉人体跌倒。第一，如图（a）一个跌倒事件通常发生在 0.4S 到 0.8S 的时间范围内。第二，如图（b）在人体跌倒过程中，跌倒者重心的变化是明显而快速的。第三，如图（c）检查人体跌倒事件通常可以用垂直投影直方图，因为在人体跌倒的短暂时间内，跌倒者的垂直投影直方图变化是非常明显的。 （a）跌倒的持续时间图）跌倒的持续时间图 （b）人体跌倒重心变化示意图）人体跌倒重心变化示意图（c）人体跌倒的垂直投影直方图）人体跌倒的垂直投影直方图图图 2-1 检测人体跌倒的三个特征检测人体跌倒的三个特征2.2 人体运动模型的建立 在姿态转变过程中，重力将成为影响这一运动过程的主要因素。跌倒过程中，对象的加速度、速度和位移三种矢量均发生了变化。如图2-1建立直角坐标系，X、Y、Z轴相互正交，任意空间方向上的矢量变化均可以分解成X、Y、Z三个方向上的分量变化。使用者正确佩戴跌倒探测器而且处于静止或水平匀速运动状态下，Y轴方向的加速度为重力加速度（g），其他两个方向上加速度为0。当佩戴者跌倒时，如果仅考虑初始状态和最终状态就可以发现，理想情况下Y轴分量发生从最大值（1g）变化为0，而X或Z轴的分量则从0变化为最大（1g），具体是X轴还是Z轴发生这一变化，则由佩戴者跌倒后的姿态决定平卧为Z轴变化，侧卧为X轴变化。如果身体姿态介于平卧和侧卧之间，则X轴江 苏 大 学 本 科 学 位 论文4和Z轴的加速度分量将满足=1g（站立情况下这个矢量和为0），仍然22ZX 能够通过计算分析得出与站立不同的加速度分布。图图 2-2 人体坐标系人体坐标系但是在实际情况中，仅根据加速度分量的改变很难分辨卧倒姿态的形成原因，容易出现很多假阳性检（检测到跌倒而实际没有跌倒）或假阴性（未检测到跌倒而实际出现跌倒）。因此，需要算法作进一步改进。一般来说，假阳性情况可以通过对加速度在时间域进行一次积分求速度、两次积分求位移的方式，全方位分析佩戴者身体姿态变化加以筛选；而假阴性情况除采用上面的全面姿态分析外，还需要佩戴者自主参与才能有效提高检出效率。因此，建立人体跌倒过程的运动模型，提取跌倒过程中身体姿态变化的特征参数是准确检测跌倒并发布报警信息的关键。第三章 三轴加速度传感器5第三章 三轴加速度传感器3.1 热对流式加速度传感器3.1.1 引言一提到加速度计传感器，人们会习惯性地想到高昂的价格及其传统的应用领域高档汽车。的确，以往的加速度计传感器由于其特定的工作原理和复杂的微机械加工工艺，导致其制造成本以及在小量程应用领域的失效率居高不下，使其无法在消费类电子中得到广泛的应用。热对流式加速度计传感器以其独特的工作原理和微机械加工工艺，确保高可靠性、高性能、低价格，已开始应用于各种消费类电子产品。3.1.2 工作原理 热对流式加速度计是基于单片 CMOS 集成电路制造工艺完整的加速度测量系统。类似其它加速度传感器有重力块，热对流式加速度计是以可移动的热对流小气团作为重力块，通过测量由加速度引起的内部温度的变化来测量加速度。热对流式加速度计是以气态气体作为质量块，同传统的实体质量块相比具有很大的优势。它不存在电容式传感器所存在的粘连、颗粒等问题，同时能抵抗 50,000g 以上的冲击。这使得热对流式加速度计的次品率和故障率很低。 一个被放置在芯片中央的热源在一个空腔中产生一个悬浮的热气团，同时由铝和多晶硅组成的热电耦组被等距离对称地放置在热源的四个方向。在未受到加速度或水平放置时，温度的下降陡度是以热源为中心完全对称的。此时所有四个热电耦组因感应温度而产生的电压是相同的。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致其不对称。此时四个热电耦组的输出电压会出现差异，而热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的。在加速度传感器内部有两条完全相同的加速度信号传输路径：一条是用于测量 x 轴上所感应的加速度，另一条则用于测量 y 轴上所感应的加速度（见图 3-1） 。江 苏 大 学 本 科 学 位 论文6 图图 3-1 热对流加速计的原理示意图热对流加速计的原理示意图3.1.3 优点 传统的容感式加速度计是以两个相对排列的叉状阵列作为电容的两极，外界加速度使可移动极（重力块）与固定极发生相对移动，从而使两极间的电容量发生变化，再通过一定的电路（如可变电容振荡器）将此变化量转换成相对应的输出信号。从容感式加速度计的基本工作原理可以清楚地看出，热对流式加速度计在以下几个与可靠性相关的方面具有绝对的优势： 1）抗冲击能力，热对流式加速度计是以虚拟的悬浮于空中的热气团作为重力块。在微机械结构上没有可活动的部分，其独特的桥式结构牢牢地固定在硅芯片上。从而使其能够抵抗大于 50,000g 的冲击。 2）极间粘连失效，容感式加速度计两极的相对距离非常近，为了保证可移动极（重力块）来回移动， 势必要在其底部和顶部留下一定的空隙，使其成悬空状。因此在实际应用中由于震动而出现极间粘连在所难免。 3）极小微粒引起的失效，半导体制造过程中微粒数量的控制与制造成本成反比。微粒数量越少，净化级别越高，制造成本越高。容感式加速度计特殊的微机械结构，使其抵抗极小微粒的能力大大下降。如果一颗极小微粒落在两极之间，电容的容值将发生突变，从而使输出信号的零点出现巨大偏移，器件失效。一些原本落在其它部位的微小颗粒，在实际使用过程中会发生移动，极有可能落在两极之间。巨大而密集的叉状阵列的存在使得容感式加速度计很难摆脱此类失效。热对流式加速度计完全不同的结构和原理使其不可能发生以上失效。 4）极间机械弹性震荡，弹簧（特别是阻尼系数小的弹簧）在受到外界力的作用后会发生往复震荡。容感式加速度计特殊的微型硅弹簧悬挂结构同样不第三章 三轴加速度传感器7可避免地会产生此类震荡，从而使得输出信号在一定的时间内无法使用。如果外界冲击力的频率与其共振频率（2kHz 至 5kHz）相同，后果则更为严重。低于 35Hz 的频响范围使热对流式加速度计自然规避了此类现象的发生。3.1.4 消费电子产品的特点 低价格，容感式加速度计复杂的微机械加工工艺使得它的成品率无法提高，制造成本居高不下。虽然各大制造商不断想方设法降低制造成本，但要达到消费类电子产品所能接受的低价格（低于 1 美元）显然十分困难。 热对流式加速度计基于标准的 CMOS 制造工艺，使其圆片加工工序的成品率大大提高，全线成品率达到 90%以上。再加上制造工厂设在中国大陆，使得产品的总体制造成本远远低于容感式加速度计，已经可以满足消费类应用中的弱点 当然，热对流式加速度计也有它的弱点，但这些弱点是否会影响其在消费类电子产品中的应用？对环境温度变化敏感热对流式加速度计的工作原理决定了它必定对环境温度变化敏感。主要表现为零点温漂和灵敏度温度漂移。 1）零点温漂，以美新公司的产品为例，温度每变化一度，其输出信号的零点会有 2 mg 的漂移量。如果最终产品的工作温度范围是：10至 40，则最大将产生（25+10）2=70 mg 的漂移，相当于70 17=4 度角度的变化，这是在-10的恶劣情况下的漂移量。绝大多数消费类领域的应用（如手持设备） ，对测量精度的要求不是很高，正负 2 度的角度偏差是可以接受的。而且，用户可以通过简单的开机复位程序（及时刷新存储器中加速度计的零值）消除这种零点漂移的影响。而对于一些检测震动信号（交流信号检测）的应用，直流零点的漂移可以不予考虑。 对于一些测量精度较高的应用，用户可以选择其低温漂的器件（0.1mg/） 。2）灵敏度温度漂移对于热对流式加速度计来说，灵敏度温度漂移是它的一个主要弱点，但这一温漂是有规律可循的。以美新公司的产品为例，其未经补偿的灵敏度温度漂移严格遵循以下公式，从而使外部温度补偿得以实现。江 苏 大 学 本 科 学 位 论文8 3.2 静电悬浮式三轴加速度传感器3.2.1 引言 静电悬浮式加速度传感器是通过测量电容的变化来检测加速度的。其突出优点是测量精度高，缺点是容易发生高压击穿，因而不能承受较大的加速度输入。但它对于独特的空间微重力环境测量具有较大优势，因此在国际宇航界有关实验室得到相当发展。目前，利用此类加速度传感器，国外已经研制成功的高精度静电悬浮式加速度计系统有:美国研制的 MACEK 及 MESA 加速度计系统、欧空局（ESA）研制的 ASTRE 加速度计系统、法国 ONERA 研制的 STAR 加速度计系统及 GRADIO 加速度计系统等。这些加速度计系统已在研究大气阻力、太阳辐射压力、地球漫反射、电子推进器推力测量、高空地球重力场精密测量、空间重力梯度测量等军用和民用领域发挥了重要作用。此类加速度计系统的测量精度已达 20ngn，理论设计分辨力高达 410- 5 ngn。对于此类高灵敏、高精度加速度传感器的研制我国尚处于起步阶段。3.2.2 结构设计图 3.2 是静电悬浮式三轴测量加速度传感器的结构原理图。电容极板质量检测图图 3-2 静电悬浮加速度传感器结构原理图静电悬浮加速度传感器结构原理图它主要由一个中心检测质量和六个电容极板组成，外加固定极板用的外壳（图中未示出） 。检测质量采用立方体结构设计，由金属材料制成;电容极板由绝缘材料并在其内表面溅射金属薄膜加工而成（如图 3-3 所示） 。第三章 三轴加速度传感器9图图 3-3 电容位移检测原理图电容位移检测原理图3.2.3静电悬浮原理静电悬浮式三轴测量加速度传感器在进行地面检测时，由于在垂直于地面方向（设为 x 方向）中心质量块受到地球吸引力的作用，因此必须给质量块施加一反方向的静电力，以使其达到力平衡，并通过反馈电压的施力作用使中心质量块在 x、y、z 三方向均处于零位（平衡位置）附近，实现悬浮。而当传感器工作于空间飞行器上时，惯性力平衡了地球引力，因此仅需施力反馈回路的作用便可实现中心质量块的悬浮。3.2.4 电容位移检测原理 不失一般性，此处仅讨论一个方向（x 轴）位移的电容检测原理，其它两轴的检测原理相同。当无加速度输入时，控制回路使检测质量处于初始平衡位置（零位） ，检测质量表面距相对两极板的距离相等。此时电容 C1与 C2相等。当存在加速度输入时，检测质量沿与加速度相反的方向发生微小位移，C1和 C2分别改变，两者电容之差 C 可化简为 （3-1） ddSCCC2122 式中 为真空介电常数；S 为电容极板面积；d 为电容极板与检测质量之间的距离；d 为检测质量微小位移。3.2.5 加速度测量原理 当检测质量因加速度的输入而发生位移时，引起电容变化，进而由控制电路产生反馈施力电压 Uf，两电极板电压由原来的定值偏置电压 Us 分别变为Us+Uf和 Us-Uf ，从而对检测质量产生静电江 苏 大 学 本 科 学 位 论文10 （3-2）)()(2122ddUUddUUSFfsfs式中Us 为偏置电压；Uf=AC 为反馈施力电压；A 为检测电路增益。当检测电路增益足够高时，上式化简为 （3-3）fsUUdSF22 由力平衡条件 ma=F（m 为检测质量块的质量；a 为外界输入的加速度)，可得到加速度与检测到的反馈电压的关系 （3-4）fsUmdSUa22 当检测质量（立方体)体积为 l3，材料密度为 时，则上式变为 （3-5）fsUdlSUa232 通过测量反馈电压便可以知道外界输入的加速度值。3.2.6 参数设计 航天器在飞行过程中受到的环境非重力力主要来自大气阻力、太阳光压、地球热辐射等因素。在低轨道飞行中主要是大气阻力起作用，当轨道提升时，太阳光压力将逐渐取代大气阻力成为主因。产生的加速度水平大约在 10 g 量级（与航天器飞行高度、航天器结构、质量、横截面积、表面积以及大气密度、太阳辐射、地球漫发射等因素有关） 。因此加速度传感器量程设计为 30 g，分辨力设计为 1 ng 至 10 ng。综合考虑各项因素，设计偏置电压为 5 V，控制电路增益为 1012。中心检测质量块体积为 4 cm4 cm4 cm，采用铂铑合金材料，密度为 20 g/cm3（从下面的式（3-8）可以得出，材料密度越大，检测灵敏度越高），质量为 1280 g；电容极板面积为 3 cm3 cm，电容极板与检测质量平衡间距为 30 m。3.2.7 设计结果与讨论 据式（3-2）可知，当反馈电压等于偏置电压时产生的静电力达到最大值为 （3-6）2max)2(21dUsSF第三章 三轴加速度传感器11故加速度传感器能够承受的最大输入加速度为 （3-7）232maxmax2dlSUmFas由式（3-5）知加速度传感器的检测灵敏度为 （3-8）sSUdlk223根据以上设计参数计算出加速度传感器的量程为 35 g，灵敏度为 120 mV/g。根据灵敏度计算结果，1ng 的加速度输入将产生 0.12 mV 的输出电压，就目前的技术水平来说，对于以上幅度的电压信号是比较容易检测的，因此以上设计的加速度传感器有望达到 1 ng 的分辨力，适合航天器高精度微重力环境测量。3.2.8 误差来源及改进措施 1）机械加工精密机械加工是此类传感器制造的关键技术之一，材料的尺寸、间距、平坦度等都将影响到传感器的量程、灵敏度、检测精度等。要求电容极板的平坦度小于 1 m，间距误差控制在 2 m 以内。另外传感器壳体应有足够的刚度，避免在装配调试中壳体变形而影响到间隙尺寸。 2）温度变化由于电容极板间距只有几十微米，因此材料的热胀冷缩性将严重影响测量的精度，必须选用热膨胀系数较低的材料，如可以选用铂铑合金（热膨胀系数为 8.810-6/）作为检测质量的材料，陶瓷、石英等作为电容极板材料。另外壳体等外形尺寸也必须有很好的热稳定性，并同时兼顾各种材料之间的相互匹配。 3）寄生电容电容式传感器的敏感电容除了极板之间的电容外，电容极板还可能与周围其它导体之间产生电容联系，这种寄生电容使传感器的位移敏感电容改变，而寄生电容又极不稳定，从而对位移检测产生严重干扰。采取屏蔽措施可以减少这种寄生电容。可将传感器放在一金属壳体内，并将壳体可靠接地。 4）非线性江 苏 大 学 本 科 学 位 论文12 式（3-1）中所表达的 C 与 d 的完全线性关系成立的必要条件是dd，因此必须采用实时快速反馈回路，及时产生反馈施力电压，使检测质量很快恢复到平衡位置，确保 d21010，所以电路增益应足够高，可取为 1012左右。 静电悬浮式加速度传感器以其高灵敏、高精度的优点在各类加速度传感器中占有一席之地。尽管硅基微加速度传感器的研制在国内外得到相当发展，但限于目前的硅微机械加工水平，硅基微加速度传感器的检测精度上难以达到几十 ngn的量级。3.3 压电式加速度传感器3.3.1 压电式加速度计的结构 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。（a）中心安装压缩型）中心安装压缩型 （b）环形剪切型）环形剪切型 （c）三角剪切型）三角剪切型 图图 3-4 压电式加速度计压电式加速度计第三章 三轴加速度传感器13 常用的压电式加速度计的结构形式如图 3-4 所示。S 是弹簧，M 是质块，B 是基座，P 是压电元件，R 是夹持环。图 a 是中央安 装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座 B 与测试对 象连接时，如果基座 B 有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图 c 为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图b 为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制3.3.2 压电式加速度计的灵敏度 压电加速度计属发电型传感器，可把它看成电压源或电荷源，故灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法。前者是加速度计输出电压（mV）与所承受加速度之比；后者是加速度计输出电荷与所承受加速度之比。加速度单位为 m/s2，但在振动测量中往往用标准重力加速度 g 作单位，1g= 9.80665m/s2。这是一种已为大家所接受的表示方式，几乎所有测振仪器都用 g 作为加速度单位并在仪器的板面上和说明书中标出。 对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。 压电晶体加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计轴线）振动的敏感程度，横向灵敏度常以主灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主灵敏度的 3。因此，压电式加速度计在测试时具有明显的方向性。3.3.3 压电加速度计的前置放大器压电加速度计的前置放大器 压电元件受力后产生的电荷量极其微弱，这电荷使压电元件边界和接在边江 苏 大 学 本 科 学 位 论文14界上的导体充电到电压 U=q/Ca（这里 Ca 是加速度计的内电容） 。要测定这样微弱的电荷（或电压）的关键是防止导线、测量电路和加速度计本身的电荷泄漏。换句话讲，压电加速度计所用的前置放大器应具有极高的输入阻抗，把泄漏减少到测量准确度所要求的限度以内。 压电式传感器的前置放大器有：电压放大器和电荷放大器。所用电压放大器就是高输入阻抗的比例放大器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。电荷放大器以电容作负反馈，使用中基本不受电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵。 从压电式传感器的力学模型看，它具有低通特性，原可测量极低频的振动。但实际上由于低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移） 、器件的噪声都是不可避免的，所以实际低频端也出现截止频率，约为 0.11Hz 左右。 随着电子技术的发展，目前大部分压电式加速度计在壳体内都集成放大器，由它来完成阻抗变换的功能。这类内装集成放大器的加速度计可使用长电缆而无衰减，并可直接与大多数通用的仪表、计算机等连接。一般采用 2 线制，即用 2 根电缆给传感器供给 210 mA 的恒流电源，而输出信号也由这 2 根电缆输出，大大方便了现场的接线。3.3.4 压电式速度传感器 由于上述磁电式速度传感器存在响应频率范围小，机械运动部件容易损坏，传感器质量大造成附加质量大等缺点，近年发展了 压电式速度传感器，即在压电式加速度传感器的基础上，增加了积分电路，实现了速度输出。同样，这种传感器也全部实现了内置，具有替换磁电式速度传感器的趋向。3.4 压阻式三轴加速度传感器3.4.1 工作原理压阻式加速度传感器是基于硅的压阻效应，即当有外部的加速度作用在传感器上，由于惯性力使质量块产生位移，导致梁发生变形。梁上有四个通过硼第三章 三轴加速度传感器15离子注入形成的阻值完全相同的压敏电阻，则电阻率发生变化。其所引起的电阻变化，可用式子（3-9）表示： （3-9）ttEERR11 其中 1、t为纵向和横向压阻系数；1、t为电阻沿横向和纵向的应变；E为弹性模量 为了提高满量程输出，减小零点温度漂移及提高线性度，通常将压敏电阻连接成惠斯登电桥结构，由于四个压敏电阻完全相同，因此，当无加速度作用时，输出值为零。而采用恒流源供电，可以有效的消除温度和扩散电阻不均匀所带来的影响。3.5 MMA7260Q 三轴向高灵敏度加速度传感器3.5.1 引言 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。 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，专门面向便携式消费者电子产品。MMA7260Q 的可选灵敏度允许您在 1.5 g、2 g、4 g 和 6 g 的不同范围内进行设计。它的 3 A 睡眠模式、500 A 低运行电流、1.0 ms 的快速启动响应时间及 6 mm6 mm1.45QFN 的小巧包装等其它特性更使围绕 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 成为采用电池供电的电子产品的理想之选，包括 PDA、手机、3D 游戏和数码相机等。 飞思卡尔能为您提供 1.5g250g 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。 三星电子发布的两款数字音频播放器（YH-J70 和 YP-T8）中采用了这种传感器。飞思卡尔的设备实现了目前其它多媒体播放器所不具备的独特功能。江 苏 大 学 本 科 学 位 论文16YH-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。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。仅以 MMA7260Q 的典型应用包括为例，就包括：坠落检测、Fall log、HDD 保护、MP3 播放器、便携电子产品、担保记录、电子罗盘、人类环境学工具、游戏、图像稳定性、物理治疗、文本滚动。3.5.2 典型应用 坠落检测、坠落日志、HDD 保护、MP3 播放器、 、便携电子产品、用于担保的记录、电子罗盘、人类环境学工具、游戏、图像稳定性、物理疗法、文本滚动、三维动态拨打、计步器、机器人技术、虚拟现实输入设备、防盗设备、车/人导航、GPS 导航推测、黑匣子/时间记录器、装运/处理监控器、点击静音（Tap to mute） 、声学、设备平衡/监控、轴承磨损监控、地震监控、智能电机维护。3.5.3 实现最佳效果的开发工具 MMA7260Q 的参照设计开发工具为您的不同设计提供了所需的各种组件，帮助您把其它功能设计到多种多样的应用中。除了使用 MMA7269Q 传感器的加速器解决方案外，我们的参照设计工具包还包括一个 MCU、一个 SCI 接口、一个按钮、piezohorn 和一个带有应用代码的串口连接及软件。KIT3109MMA7260Q 是一个针对 MMA7269Q 的完整的硬件环境评估套件，它提供一个稳定的平台来帮助您开发和测试全新的 MMA7260Q 三轴向传感器，可以使您的产品加快上市速度。3.5.4 MMA7260Q 的特性1）XYZ：在一个设备中提供三轴向检测灵敏度；2）可选灵敏度：1.5 g、2 g、4 g 和 6 g；3）低功耗：500 A；4）休眠模式：3 A，是电池供电的手持电子产品的理想之选；第四章 信号传输17 5）低压运行：2.2 V3.6 V； 6）快速启动：1 ms； 7）低噪音：达到更高的分辨率、更高的精确度； 8）封装：16 针脚 6 mm*6 mm *1.45 mm 无针脚型方体扁平封装（QFN） ； 9）参考设计（RD3112MMA7260Q）已经推出； 10）评估板（KIT3109MMA7260Q）已经推出。3.5.5 MMA7260Q 的优点 1）为多功能应用提供灵活的可选量程：包括 1.5 g、2 g、4 g 和 6 g； 2）功耗低，可延长电池使用寿命； 3）开机响应时间短； 4）最适合电池供电手持设备的休眠模式； 5）组件数量少-节约成本和空间； 6）噪音低、灵敏度高； 7）自适应功能； 8）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。江 苏 大 学 本 科 学 位 论文18第四章 信号传输4.1 引言跌倒报警必须及时送达救助中心才能够保证救助的有效性，报警信息的及时发布要求包含两层含义：其一是报警信息不会因为跌倒探测仪佩戴者的行动和所处的位置受到影响；其二，发布的报警信息中应该包括佩戴者跌倒的地理位置内容，这样才能保证跌倒者得到有效救助。采用无线通信的方式发布跌倒报警信息非常适合能够自由行动的佩戴者，无线通信技术从技术成熟度、运行成本角度也都非常适用。从技术实现和成本方面考虑，选择CDMA通信方式更加适合跌倒探测器设计目的的实现。4.2 系统方案设计需求分析1）身体姿态监测，通过三轴加速度传感器的测量值，利用相应算法计算佩戴者的身体姿态。当出现跌倒动作时。能够触发MCU中断处理。2）报警控制机制，使用者可以根据自己的身体状况选择是否报警，当使用者已无法控制自己行为时，本产品能够保证自动实施报警。 3）计步器，在一般佩戴过程中，用户可使用该项功能，为自己的步行健身活动提供量化的参考信息。 4）空间定位，在实施跌倒报警时，应为报警信息接收方提供报警地点的空间定位信息，保证有效救助及时到达。 5）无线通讯，能够将报警和定位信息通过无线方式传输到相关人员处。 6）供电采用锂电池。 7）部分信息显示液晶屏。4.3 系统结构设计 根据跌倒探测器的需求分析，具体的实现方案设计采用如图4-1所示的架构。该架构基于高性能、低功耗MCU-MC9S08QG8，通过获取加速度传感器的第四章 信号传输19采集信息，经分析和计算后实现跌倒探测及报警等多项功能。液晶缓存MCU加速度传感器CDMA模块按键系统电源图图 4-1 系统框架系统框架4.4 硬件设计 硬件设计围绕MCU展开，产品采用MC9S08QG8芯片，如何充分利用芯片资源，妥善完成产品的各项任务处理，是设计的关键。参考系统结构框架，根据功能模块划分，系统的硬件设计详细描述如下：4.4.1 加速度采集电路 加速度采集使用MMA7260QT，该芯片输出为模拟信号，需进行A/D转换 后才能进行数据处理。MC9S08QG8芯片的PA脚为复用通道，可根据需要设置为I/O、键盘中断或A/D采样通道。本设计将利用MC9S08QG8芯片内部的A/D模块实现模数转换，具体实现中采用PAO、PA1和PA2作为三轴加速度的采集通道，与MMA7260QT的Xout（Pin15）、Yout（Pin14）和Zout（Pin13）相连，A/D采样的控制时钟通过软件配置MC9S08QG8相应控制寄存器完成。4.4.2 MCU 外围电路 本设计中，MCU外围电路包括电源与时钟、数据缓存和按键电路三部分完成，下面分别描述。 1）电源与时钟功能组件包括MCU、液晶、按键、采集、数据存储和通信几部分。根据所选用器件的数据手册，各组件对供电要求如图4-2所示。江 苏 大 学 本 科 学 位 论文20Li电池3.7VMIC5219-3.0不小于3.0V3V3.3VMIC5219-3.3MCUCDMA通信加速度采集液晶驱动EEPROM图图 4-2 系统供电需求系统供电需求 从图中可以看出，整个系统设计要求电源参数有三种，分别为3V、3.3V和3.7V。其中，主要数字电路部分包括MCU及其外围电路部分要求提供3.3V的工作电压；而在无线通信模块中，针对读取入网SIM卡部件电路要求3V的供电电压，CDMA射频部分工作电压要求不低于3.5V。 在实际设计中，输出电压为3.7V，由于能够满足CDMA射频模块的工作要求，故直接使用锂电池的输出供电；联通入网SIM卡信息读取电路的工作电压为3V，设计中采用MICREL公司的MIC5219-3.0芯片执行电压转换工作；其他数字电路部分的工作电压为3.3V，设计中采用MICREL公司的MIC5219-3.3芯片实现这一转换，参见图4-2中虚线框中的内容。MC9S08QG8自带时钟模块（ICS），为了降低功耗和简化设计，本系统通过软件设置相应的控制寄存器实现系统时钟的上电稳定工作，故在硬件电路设计中不需作过多的考虑。2）存储器有效的数据缓存要求至少具有320点（合1920字节）的存储深度。在本设计中，采用Holtek公司的HT24LC16窜行EEPROM作为数据缓存。该芯片采用I2C通讯接口，存储深度2K字节，数据读写速度在微秒量级，能够满足数据实时写入的要求。数据写满后，MCU自动将地址重置，从首地址开始覆盖写入新的数据。由于MC9S08QG8内部配有I2C控制模块，故只需将该模块对应管脚与EEPROM连接即可使用PB6（Pin5）和PB7（Pin6）与EEPROM连接。3）按键电路报警确认、报警取消、计步器启动、计步器暂停、计数清零以及无线通信第四章 信号传输21中接收方号码的设置，都要求跌倒探测仪具有用户输入的接口，设计中采用按键实现。按键的接法和使用较为简单，直接利用MCU的输入输出管脚即可，本设计采用Pin1和Pin13。4.4.3 液晶显示 本设计采用5位7段码液晶屏，计步器显示计数和报警接受方电话号码输入都是通过该液晶屏提供给使用者确认。液晶屏的控制管脚为24个，由于MCU全部管脚座位液晶控制也无法满足工作要求，故在本设计中采用Holtek公司的HT1621B芯片还具有蜂鸣器控制和驱动能力，在本设计中，集成蜂鸣器作为现场报警提示将有助于提高跌倒探测仪报警的针对性和准确性，将通过在HT1621B的BZ管脚连接一蜂鸣器得以实现。 HT1621为I2CJI接口，MCU可通过内部I2C控制模块传输指令和数据给该芯片。由于本系统采用的EEPROM也是使用I2C接口，针对不同器件的数据传输和控制指令将通过地址选择加以实现。4.4.4 通信模块本设计采用AnyData公司的DTGS-800b型OEM模块。该模块符合CDMA：IS-95A/B、IS-98A、IS-126、IS-637A以及IS-2000等标准协议，能够提供最高153.6K的数据通讯速率，工作电压3.6V-4.4V，外形尺寸为53*33*2.7mm，总重量为15g，提供外部通讯接口包括RS-232s、Digital/Analog Audios、LCD、Keypad、Ringer Extemal Reset Control、R-UIM、MP3、MIDI、GPIOs和USB。另外该模块可收发短信、集成GpsOne技术，无须添加其他组件即可得到地理定位信息，而且厂家技术支持非常完善，其各项功能配置非常适合跌倒探测器的需求描述。具体实现中，CDMA模块要求配套入网SIM卡，模块各项功能可由MCU通过RS232接口以AT命令的方式加以调用。本设计中通过模块的设计如图4-3所示。江 苏 大 学 本 科 学 位 论文22SIM卡MCUCDMA射频模块报警文字短信，GPS定位信息入网信息指令、短信文字SCI图图 4-3 通信模块连接方式通信模块连接方式 MC9S08QG8的SCI外设接口经TTL-RS232转换后，与DTGS-800b的RS232端口相连，用以向该模块发AT命令。由于该模块要求7信号的RS232接口，而MCU自带SCI不提供该种通信方式，故在系统设计中采用I/O口经行软件模拟其他的控制信号：CTS、RFR和DTR。DTGS-800b模块通过SIM卡读卡电路与SIM卡相连，内部自带处理器根据需要读取SIM卡信息，完成CDMA的人网和通信信息的交换。4.4.5 端口分配 由于本设计采用MC9S08QG8单片机仅能提供最多14个I/O端口，根本无法满足控制整个系统运行的信号数量要求，故在进行具体设计时，对各管脚的使用和分配进行了专门的部署，如图4-4