基于加速度传感器和单片机的

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文I目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112课题目的与意义213课题研究现状314本文主要内容及结构安排5第2章硬件设计621硬件器件的选择6211SPCE061A单片机6212MMA7260QT三轴加速度传感器1022系统电路的连接1123单片机控制单元的硬件设计13231输入/输出控制单元设计13232模拟数字转换设计16233DAC方式音频输出设计2324传感器控制单元设计2425本章小结26第3章软件设计2731软件系统的开发设计2732音频设计29321音频处理方案29322语音自动播放函数设计30323语音文件压缩设计3333I/O接口及A/D转换设计34331I/O接口设计34332A/D转换设计3434主程序设计36河南理工大学万方科技学院本科毕业论文II35本章小结40结论41参考文献43致谢45附录一46附录二63河南理工大学万方科技学院本科毕业论文III摘要现代快节奏的生活和工作中，人们往往承受着巨大的压力。本设计拟采用SPCE061A开发板控制加速度传感器实现一个“出气宝宝”系统，在人们发泄情绪打击“出气宝宝”的时候，根据打击力度发出对应的“哭声”。这样，人们以娱乐的方式合理表达了攻击性实现了心理调节。整个系统主要由SPCE061A开发板与加速度传感器两大模块来实现。外部的“击打”会使传感器输出模拟电压信号。61板通过I/O接口读入信号，经过A/D转换和程序处理，提取出能表征外部运动程度的量，并以此控制音频函数中的音量指数，改变扬声器的“哭声”大小。系统设计的内容大致可分为硬件设计与软件设计两部分。硬件设计主要包括外围电路的设计与连接，对I/O接口、A/D转换、音频输出的数据单元控制。软件设计主要包括自动声音播放函数、声音文件的压缩与连接、I/O接口与A/D转换的设置、主程序函数的编写等。经过整个系统连接调试，摇动传感器，扬声器发出“哭声”，且音量大小与运动剧烈程度正相关，系统的基本功能实现。关键词SPCE061A；加速度传感器；I/O接口；A/D转换；音频河南理工大学万方科技学院本科毕业论文IVABSTRACTWITHTHEFASTPACEOFMODERNLIFEANDWORK,PEOPLEAREOFTENUNDERHUGEPRESSURETHISDESIGNUSESSPCE061ADEVELOPMENTBOARDTOCONTROLACCELERATIONSENSORTOREALIZEA“VENTINGBABY“SYSTEMWHENTHEEMOTIONALOUTBURSTPEOPLESTRIKE“VENTINGBABY“,THESYSTEMCOULDGIVEOUTCORRESPONDING“CRIES“ACCORDINGTOTHEDEGREEOFBLOWSO,PEOPLEEXPRESSTHEIRAGGRESSIVENESSINREASONABLEWAYTOREALIZEPSYCHOLOGICALADJUSTMENTTHESYSTEMMAINLYCONSISTSOFSPCE061ADEVELOPMENTBOARDMODULEANDACCELERATIONSENSORMODULEEXTERNAL“STRIKE“WILLMAKESENSOROUTPUTANALOGSIGNAL61BOARDREADSSIGNALSTHROUGHTHEI/OINTERFACE,ANDEXTRACTSAVALUEWHICHCANCHARACTERIZETHEAMOUNTOFMOVEMENTLEVELOUTSIDEAFTERA/DCONVERSIONANDPROCESSTHENTHEVALUECOULDCONTROLTHEVOLUMEINDEXOFAUDIOFUNCTIONTOCHANGETHESOUNDSIZEOFTHE“CRIES“THEDESIGNOFTHESYSTEMCANROUGHLYCONTENTOFHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREDESIGNTHEHARDWAREDESIGNINCLUDESOUTERCIRCUITDESIGNANDCONNECTIONWESHOUDALSOUNDERSTANDTHEPERFORMANCEOFI/OPORT,A/DCONVERSIONANDAUDIOOUTPUTSOFTWAREDESIGNINCLUDESAUTOMATICSOUNDFUNCTION,SOUNDFILESCOMPRESSEDANDCONNECTION,I/OINTERFACEANDA/DCONVERSION,MAINPROGRAMFUNCTION,ETC河南理工大学万方科技学院本科毕业论文VTHROUGHTHEENTIRESYSTEMCOMMISSIONING,SHAKINGSENSORS,SPEAKERGIVESOUT“CRIES,“ANDTHEVOLUMEAREPOSITIVELYRELATEDTOTHEINTENSITYOFMOVEMENTTHENWEREALIZETHEBASICFUNCTIONOFTHESYSTEMKEYWORDSSPCE061A；ACCELERATIONSENSOR；I/OINTERFACE；A/DCONVERSION；AUDIO河南理工大学万方科技学院本科毕业论文1第1章绪论11课题背景随着时代的进步，人们自我认知水平的不断提高，心理问题逐渐引起了人们的广泛关注。多年前，不健康的成长环境、先天的生理缺陷等情况就一直是心理问题的主要成因。而近年来，由于生活、工作、学习的节奏加快，人们往往承受着巨大的压力。心理问题也就被摆到一个更为普遍的层次，任何人都或多或少的承受着心理方面的负担。心理问题往往引起一些不正常的反应。人们会难以集中注意力、容易分神、记忆力减退、选择性思维失调、期待性焦虑、郁郁寡欢、冷漠偏执、自卑多疑、消沉空虚、无端烦恼、遇事暴躁尤其令人担忧的是，具有心理问题的人还会容易狂热和冲动，对外界产生敌对情绪，且常常带有攻击性。近年来社会上由于心理问题造成的悲剧，引起了人们的普遍重视。合理的调节心理、控制情绪，对实现人的全面发展、对改善人际交往关系、对我国构建和谐社会都有着积极的作用。生活中矛盾和事件所引起的心理反应，主要是情绪反应，所以心理调节和控制的最基本点，可以说是调节和控制情绪。其中，情绪的舒缓与疏导显得尤为重要。当人们承受着巨大的精神压力时，可以用合理的方式把这种压力表达释放出来。情绪的释放有多种方式，比如说找人谈话、培养乐观生活态度等。而通过玩具等辅助手段来释放情绪的方法也越来越引起人们的关注。这种方式不仅简单方便、易于操作，还具有很多趣味性。在当今的市场中，情绪调节类的玩具多种多样。但是，其中大多数的河南理工大学万方科技学院本科毕业论文2设计原理都比较简单。比如说，有的是基于一些常见的物理学现象，有的则纯粹以外观设计取胜。通观整个情绪调节类玩具的市场，其中依靠芯片控制的智能玩具的开发尚属少数。因此，设计情绪调节类的玩具，也便在智能化方向上出现了创新的空间，昭示了很广阔的市场前景。智能化情绪调节类玩具的优点是很突出的。通过微控制器控制的智能玩具可以进行内部数据处理，控制产生不同的效果。若再辅以各类外部传感器模块的特殊功能，智能玩具还可以与用户进行多种方式的互动1。这样一来，智能玩具在改善用户情绪方面，无疑会带来显著的作用。12课题目的与意义本设计拟采用SPCE061A开发板控制加速度传感器实现一个“出气宝宝”系统，在人们发泄情绪打击出气宝宝的时候，根据打击力度发出对应的“哭声”。通过这样的方式，人们以娱乐的方式合理表达了攻击性，发泄了内心的种种压抑情绪，进而实现了心理调节。为了达到使用户发泄情绪的目的，本系统需要检测、读取外部的打击力，并根据该打击力的大小发出对应音量的“哭声”。外力信息的采集与转化需要通过设计加速度传感器模块来实现。我们把SPCE061A开发板作为本次设计的核心部分。SPCE061A开发板的输入输出接口、模数转换以及音频发声等功能都作为系统设计中的重点。通过SPCE061A开发板对传感器输出的电压数据进行读取、转化、分析，便可以控制播放压缩好的“哭声”。本设计最终的目的是一方面使用户合理表达了攻击性，释放了情绪；另一方面通过“哭声”的回应，得到慰藉或娱乐的效果。所谓的“哭声”，通常理解为事先准备好的哭声音频，可以是婴儿哭声、男声、女声。而广义的“哭声”又可以理解为一段音乐或者幽默的语句。这样的设计，无疑河南理工大学万方科技学院本科毕业论文3更增加了产品的趣味性与娱乐效果，从而更好的实现了调节情绪的目的。基于SPCE061A的“出气宝宝”系统设计，可以看作是一款智能玩具的开发。该系统具有调节心理、缓解情绪的作用，适应了当代心理问题比较突出的社会现实。这样的开发设计无疑拥有开阔的市场和广大的受用人群，会对调节人们的心理健康、改善人们的工作学习氛围、增进生活氛围的和睦、乃至促进社会和谐都有着重要的意义。13课题研究现状基于SPCE061A的智能玩具设计，尤其是调节情绪类玩具的设计，目前在国内外市场上都比较罕见。鉴于本设计的思路比较新颖，同类产品的应用设计较少，我们对课题研究状况的介绍将主要围绕设计的关键部分，即凌阳SPCE061A单片机与加速度传感器的发展应用来展开。随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐由传统的控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理DSP，DIGITALSIGNALPROCESSING等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用最新推出的MICROCONTROLLERANDSIGNALPROCESSOR16位微处理器以下简称NSP通用核结构。NSP的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得NSP系列运用在复杂的数字信号处理方面很便利，内嵌32K字的闪存FLASH，能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。其汇编指令近似C语言，具有较高的C语言编程效率。而且它还有I/0口功能丰富、集成度高、体积小、可靠性好、功耗低且性能价格比高等特点。因此，以NSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于录音、放音、数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文4目前已经投入国内外市场的产品，包括语音播报温度计、智能交通灯、嵌入式汽车运营图片信息采集系统、数码语音录音及播放系统、空调智能控制系统等。可以说基于SPCE061A的“出气宝宝”的设计与上述产品的技术手段、基本原理相类似。然而就应用角度来说，“出气宝宝”思路新颖，具有一定的创新性和时代特色，昭示了广阔的市场前景2。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。加速力可以是个常量，比如G，也可以是变量。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。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力，除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出3。本系统设计所采用的MMA7260QT三轴加速度传感器就是利用了压电效应的原理。由于加速度造成的晶体变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。又由惯性定理可知A加速度F惯性力/M质量。这样，在质量M为已知常量的前提下，加速度与外力成正比例关系。输出电压对应着加速度的线性变化，也同样对应着外力的线性变化。机械力也就转化成可以控制单片机的电信号，达到了系统设计的要求4。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文514本文主要内容及结构安排本文着重于对基于SPCE061A“出气宝宝”系统设计的阐明，详细介绍了设计的思路、方法与具体的流程。本文的主要内容也是以实际设计为骨架，辅以对必要知识的介绍，构成了一个重点突出、条理鲜明、内容丰实的整体。通观全篇，整个系统的设计可大致分为硬件设计与软件设计两部分。硬件设计包括外部电路的设计与连接、单片机的I/O口设计、AD转换设计、音频设计、传感器电路等。软件设计包括I/O输入的初始化、AD转换的初始化、传感器输入数据的处理、声音播放函数的编写、音频的压缩与调用等。本文的结构主要安排为三章，具体内容分布如下第一章绪论，阐述课题的开发背景，提出该课题的研究依据和意义；介绍了SPCE061A与单片机的发展现状；内容概述对整篇论文起提纲挈领。第二章硬件设计，主要包括硬件元器件的选取、系统整体外围电路的连接、单片机中各控制单元的实现以及传感器的电路等。第三章软件设计，主要分为软件系统的开发、音频的设计、I/O口与A/D转换的定义、主程序设计四方面的内容。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文6第2章硬件设计21硬件器件的选择本次设计的整个系统主要由SPCE061A开发板和加速度传感器模块两部分构成。因此，硬件器件我们选择了61板和MMA7260QT三轴加速度传感器。61板是SPCE061AEMUBOARD的简称，是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路含MIC输入部分和DAC音频输出部分、复位电路等，采用电池供电。MMA7260QT三轴小量程加速传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。对于本设计来说，能够较为精确地出反映“出气宝宝”受击打力后的运动情况。下面，我们将对所选的这两部分硬件结构分别予以介绍。211SPCE061A单片机SPCE061A是一款16位结构的微控制器，主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号5。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文7图2161板框图我们在设计中选择的硬件是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发仿真实验板，简称61板，其硬件框图如图21所示。它是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。关于61板的硬件框图说明如表21所示。表2161板框图简要说明POWER5VASSUPPLYVOLTAGEDECREASES,OFFSETANDSENSITIVITYDECREASELINEARLYTHISISAKEYFEATUREWHENINTERFACINGTOAMICROCONTROLLERORANA/DCONVERTERBECAUSEITPROVIDESSYSTEMLEVELCANCELLATIONOFSUPPLYINDUCEDERRORSINTHEANALOGTODIGITALCONVERSIONPROCESSOFFSETRATIOMETRICERRORCANBETYPICALLY20ATVDD22VSENSITIVITYRATIOMETRICERRORCANBETYPICALLY3ATVDD22VCONSULTFACTORYFORADDITIONALINFORMATION。TABLE2REPRESENTSOPERATINGCHARACTERISTICSUNLESSOTHERWISENOTED40C20ATVDD22VSENSITIVITYRATIOMETRICERRORCANBETYPICALLY3ATVDD22CONSULTFACTORYFORADDITIONALINFORMATIONMINIMUMRECOMMENDEDFOOTPRINTFORSURFACEMOUNTEDAPPLICATIONSURFACEMOUNTBOARDLAYOUTISACRITICALPORTIONOFTHETOTALDESIGNTHEFOOTPRINTFORTHESURFACEMOUNTPACKAGESMUSTBETHECORRECTSIZETOENSUREPROPERSOLDERCONNECTIONINTERFACEBETWEENTHEBOARDANDTHEPACKAGEWITHTHECORRECTFOOTPRINT,THEPACKAGESWILLSELFALIGNWHENSUBJECTEDTOASOLDERREFLOWPROCESSITISALWAYSRECOMMENDEDTODESIGNBOARDSWITHASOLDERMASKLAYERTOAVOIDBRIDGINGANDSHORTINGBETWEENSOLDERPADSTHEFLAGUNDERNEATHTHEPACKAGEISINTERNALLYCONNECTEDTOGROUNDITISNOTRECOMMENDEDFORTHEFLAGTOBESOLDEREDDOWN河南理工大学万方科技学院本科毕业论文55中文翻译飞思卡尔半导体技术数据15G6G三轴微控制加速度传感器本MMA7260QT型号的低能耗电容性微控制加速度传感器具有以下特性信号波形加工，单极性低通滤波，温度补偿以及以及基于四种灵敏度的加速度选择。全量程范围内的零加速度偏移与滤波器定点都具有出厂设置，不再需要外部装置。本加速度传感器还包括一种睡眠模式，适宜用于电池供电的手持电子设备。性能可供选择的灵敏度15G/2G/4G/6G低电流损耗500A睡眠模式3A低压控制22V36V6MMX6MMX145MMQFN高灵敏度800MV/G15G快速准时启动用低通滤波器进行内部信号波形加工设计充分，耐高冲击自由的外围缓冲器接线端适宜多种外部环境的封装低能耗主要应用河南理工大学万方科技学院本科毕业论文56硬盘驱动器MP3播放器自由落体探测笔记本电脑自由落体探测，防盗手机图像稳定性，信息文本，移动拨号，电子指南针步程计运动感应导航与航位推测电子指南针的倾斜补偿游戏倾斜与动作感应，时间记录器机器人动作感应表1最大额定值最大额定值是指对置用仪器未造成不可恢复性损伤的极限值额定类别符号值单位最大加速度（全轴）GMAX5000G供电电压VDD03TO36V抛落测试（1）DDROP18M存储温度范围TSTG40TO125C1从任意轴抛落到一特定平面。电镀板静电放电ESD警告本装置对电镀板静电放电敏感尽管飞思卡尔加速度传感器包含内部2000伏特的电镀板静电放电保护电路，但是为了保证芯片免受电镀板静电放电的损害，用户还是必须采取另外的防范措施。可能会有超过2000伏特的电荷聚积在人体或相关的测试设备上。这个数量的电荷会改变芯片的工作性能甚至会导致芯片出现故障。因此，当对加速度传感器进行操作时，为了使暴露于外的装置免受可能损害其性能的电荷影响，应该采用合适的电镀板静电放电预防手段。工作原理河南理工大学万方科技学院本科毕业论文57飞思卡尔加速度传感器是一个表面微控制集成加速度传感器。该装置包含两个表面微控制电容性感应单元和一个被单独封装的信号波形加工集成电路。传感单元是在晶片水平上被紧密封装的，应用了大量的微控制帽形晶片。传感单元是由半导体材料多晶硅通过半导体工艺装饰和铜版刻形成的微控制结构。这种结构可以用一组柱杆进行模拟。其中两条柱杆是系统固定的，另一条柱杆与两固定柱杆间的可动中心部位相连。当给系统施加一个外部加速度时，可动的柱杆会偏离原来的平衡位置。因为与中心部位相连的柱杆运动了，它与到一端固定柱杆的距离会增加，这与它到另一固定柱杆间减少的距离是等量的。这种距离上的变化就是加速度的一种测量标准。传感单元的“柱杆”是由两个背靠背的电容器形成的。当中心柱杆带有加速度运动时，两个柱杆间的距离发生变化，两个电容器的值也会发生变化，CA/D。其中A代表柱杆形区域的面积，是介电常数，而D是两柱杆之间的距离。这种特定用途集成电路应用转换电容器技术测量传感单元的电容，并从两个电容的差异中获取加速度数据。该电路还能对信号波形经行整形和滤波转换电容器，以提供一个与加速度单位数值成比例的高电平输出电压。特性加速度选择加速度选择特性允许对装置提供的四种不同灵敏度进行选择。根据在引脚1和引脚2上的逻辑输入，装置的内部增益将会发生变化，使得该装置在15G，2G，4G或6G四种不同的灵敏度下进行工作。如表3所示。一些产品在应用过程中为了达到最佳操作性能，需要不同的灵敏度。加速河南理工大学万方科技学院本科毕业论文58度选择特性对于这些产品是相当理想的。在产品运行工作的过程中，可以在任意时候改变加速度的灵敏度。对于那些只需要15G灵敏度的应用来说，加速度选择1和加速度选择2两个引脚可以被空置，因为装置内部有一个下拉电路使其保持在15G的灵敏度800MV/G。表2加速度选择引脚说明加速度选择1加速度选择2加速度选择范围灵敏度0015G800MV/G012G600MV/G104G300MV/G116G200MV/G睡眠模式本三轴加速度传感器提供了一种睡眠模式，这相当适合于那些由电池驱动的产品。当睡眠模式被打开时，整个装置的输出就关闭了，这会使那些工作中的电流大幅度减少。在引脚12睡眠模式的低电平输入会把装置置于睡眠模式，并把电流减弱到3A的标准。为了使能量消耗更低，建议将加速度选择1和加速度选择2两个引脚设置成15G的模式。通过给引脚12设置一个高电平输入的信号，装置将会恢复到正常工作的模式。表3工作特性特性符号最小值标准最大值单位工作范围2供电电压3供电电流睡眠模式下的供电电流4工作温度范围加速度范围，X轴，Y轴，Z轴VDDIDDTA223350033680010VAA河南理工大学万方科技学院本科毕业论文59加速度选择引脚1与200加速度选择引脚1与210加速度选择引脚1与201加速度选择引脚1与211GFSGFSGFSGFS40015204060105CGGGG输出信号0加速度TA25C,VDD33V50加速度4X轴Y轴Z轴灵敏度TA25C,VDD33V15G2G4G6G灵敏度4X轴Y轴Z轴VOFFVOFF,TAS15GS2GS4GS6GS,TA148526581074055527751851650658088006003001815359088606453225VMG/CMV/GMV/GMV/GMV/G/C河南理工大学万方科技学院本科毕业论文60宽带响应XYZF3DBF3DB002001001200002001000350150215002001001HZHZ噪声RMS01HZ1KHZ4功率谱密度RMS01HZ1KHZ4NRMSNPSD47350MVRMSG/HZ时间传感器供电响应时间8使能响应时间9传感单元共振频率XYZ内部取样频率TRESPONSETENABLEFGCELLFGCELL10056032020MSMSKHZK河南理工大学万方科技学院本科毕业论文61FCLK411HZKHZ输出阶段性能全量程输出范围IOUT30AVFSOVSS025VDD025V非线性特性,XOUT,YOUT,ZOUTNLOUT1010FSO横轴10VXY,YZ,ZX50比率标准化误差11ERROR1对于有载输出，测量结果是在RC滤波后观察得到的。RC滤波器包含一个10K的电阻器和一个01F的电容器，与电源和地连接。2这些限制定义了相关部分符合标准的工作范围。3在22V到36V的供电范围内，本装置以一个完全校准的线性加速度传感器进行工作。超出了这些供电限制，本装置仍可作为线性装置工作，只是不能保证符合标准。4这些数值是在加速度选择为15G的模式下测量得到的5本装置能够测量出加速度的正负值。当没有输入加速度时，输出为供电电压的一半。当有正加速度输入时，输出会增长到高于供电电压的一半的数值。当有负加速度输入时，输出会减少到低于供电电压的一半的数值。6这些值只代表百分之10，而不是真正的最小值。7这些值只代表百分之90，而不是真正的最大值。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文628介于全量程电源输入电压的10与最终工作输出电压90之间的响应时间。9介于全量程睡眠模式下输入电压的10与最终工作输出电压90之间的响应时间。10一种测量装置拒绝与具有灵敏度的实轴偏离90度的加速度的能力的标准。110加速度偏移量的比率标准化化误差通常大于20。当供电电压为22V时，灵敏度的比率标准化误差通常大于3。更多的相关信息