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加速度传感器论文速度传感器论文 加速度传感器论文速度传感器论文基于MEMS加速度传感器的孕妇姿势报警仪的设计要摘为预防孕妇长时间站立或坐着等不规范的姿势对胎儿产生不良影响,充分利用加速度传感器和Zigbee技术,设计一种基于单片机的报警系统,详细地介绍系统的软硬件设计及其实现的功能。 此设计的系统有效地解决了孕妇因为长时间站立或是坐着对胎儿以及对孕妇产生的不良影响,大大降低早产的发生概率。 关键词MXC6202xG/H/M/N;Zigbee通信模块;孕妇1根据美国产科学和妇科学杂志的一项调查显示,那些长期站立或者坐着的孕妇,有较大可能发生早产或分娩不足磅重的婴儿。 长期站立或压迫双腿易造成腿部静脉充血,使血液回流困难,这样的话流到子宫的血液就会减少,从而导致以上病例发生。 本文用MEMS微型加速度系统实现一种测量孕妇的运动状态的装置,利用加速度计,系统在动作初期抓取动作信息,通过Zigbee通信模块及相应的接口电路将信号传递给单片机,然后进行信息的处理,算出相对加速度以及倾角,如果超过限度,则驱动振动器振动从而达到提醒孕妇的目的。 1数据采集模块本设计采用MXC6202xG/H/M/N系列加速度传感器实现数据的采集,它是低成本、低功耗双轴的带有I2C接口的加速度传感器。 该系列加速度传感器将传感器系统及相关信号调理电路和I2C总线结构集成在单片集成电路上,可以直接连接到一个单片机等处理器上,消除了A/D转换和定时占有的资源。 具有结构简单、动态响应好、能实现无接触式测量、灵敏度好、分辨率强等优点。 加速度的传感器主要需要用来测量加速度和倾角,加速度的测量用于判断孕妇是站立还是坐着的状态,倾角的测量用于判断孕妇的身体弯曲程度。 将加速度计1和加速度计2分别戴孕妇的肩上和腿上,判定姿势的原理如下:孕妇坐下的一瞬间,肩上的加速度计1测得竖直向下的加速度,腿上的加速度计2测得的值为零,算出竖直方向的相对加速度,可以判定出孕妇是坐下了,然后定时器开始计时,超过额定的时间则发出驱动信号驱动振动模块产生振动。 同理,如果孕妇站起来的一瞬间,肩上的加速度计测到的加速度竖直向上,可以判定孕妇站起来了。 如果水平方向上相对加速度为零,竖直方向上,腿在抬起的过程中腿上的加速度计有向上的加速度,通过此可知道孕妇在走动。 从而通过不同的加速度,我们可以判定出孕妇的不同的姿势。 倾角的测量原理如下:根据经典力学可以知道,当对象与基准平面有一个角度的夹角时。 其运动方向的加速度与重力加速度的比值和没有夹角时其加速度与重力加速度的夹角?是不同的。 根据力的分解,重力加速度就会有分量作用在Ax方向,且Ax=gsin?,于是倾斜角?=sin-1(Ax/g)。 利用双轴的加速度传感器,其两个夹角之间相差90,两个角分别为45和135角,当人静止在平面上时,加速度传感器的两个轴向测得加速度:Ax=Ay=0.707g。 图1测量力学原理图当人在行走时,加速度传感器的两个轴向就会测得两个大小相等,极性相反的加速度变化,而(Ax+Ay)保持不变,当人体倾斜时,倾斜角?=cos-10.707(AX+AY)/g。 但是在实际情况中,由于测量、安装等原因,几乎不可能做到加速度传感器与人的径向正好成45。 所以需要在系统初始化时,首先测量出加速度传感器与人的径向的夹角,可根据公式=arctan(Ay+Ax)计算得到。 由此可得最后的倾斜角为:?=cos-1(Axsiny+xAYcos)/g。 根据这个数学模型,可以很好的测得角度的变化。 测得的角度数据利用单片机判断是否超过了范围,如果超过的话就驱动报警器,以提示孕妇姿势不对。 2数据处理模块和通信模块本设计采用CC2430电路板开发模块,CC2430芯片是Chipcon公司生产的首款符合Zigbee技术的2.4GHz射频系统单芯片,它在单个芯片上整合了Zigbee射频前端、内存和微控制器。 它使用1个8位MCU (8051),具有128KB可编程内存和8KB的RAM,还包含了模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上点复位电路等,由于在本设计中数据量不大,并且要随时复位,因此我们可以直接采用CC2430上自带的单片机来进行数据的处理。 CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性,耗电量很小,特别适合要求电池寿命非常长的应用,因此完全满足本设计的应用。 采用Zigbee进行通信的好处在于,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、高容量、短时延、低成本的双向无线通信技术,Zigbee采用一种“准备好才发送”的通信策略,它只在有数据要发送时才发送数据,然后再等待自动确认。 “准备好才发送”是一种“面对面”式的方案,是一种能量效率非常高的方案。 而且,这种“面对面”式策略使得射频干扰非常低,这主要是由于Zigbee节点具有非常低的占空比,只偶尔发射信号且只发送少量的数据。 Zigbee技术并不是完全独立、全新的标准,它的物理层、MAC层采用了IEEE802.15.4协议标准。 3设计原理和框图该设计由微型传感器系统、单片机、CC2430和I/O接口设计的一个小体积的动作抓取系统。 分为信号采集,信号处理和分析,数据记录、存储及情况处理3部分,采集加速度计输出的信号,人为的设置单片机的I/O接口,软件编程实现I/O接口模拟I2C接口,肩上和腿上采集到的加速度通过Zigbee通信分别进入到单片机,然后通过编程辨别孕妇是坐着的还是站着的,同时通过编程计算倾角判定孕妇弯曲姿势是否超过了正常偏移值,完成动作判断,如果站立或坐着的时间过长,或是弯曲姿势超过正常偏移值,则驱动振动器,从而提醒孕妇改正。 具体框图如下图2所示:图2系统组成框图本文利用MXC6202x系列加速度传感器设计,体积小、重量轻,误差较小,孕妇佩戴方便,不影响孕妇的正常动作。 把低成本、低功耗的无线ZigBee技术应用于此设计中,减少了系统现场布线带来的各种问题,无线网络,安全性好,系统功能完善。 两大技术的优势使得本文设计的孕妇的伴侣将发挥它的最大的功效,减小胎儿早产几率的发生。 相信随着这种新技术的推广,能引起更多的人重视及兴趣。 参考文献1林少锋,何一.基于CC2420的ZigBee无线网络节点设计J.电子设计工程,xx,