1、 毕业设计(论文)基于加速度传感器的姿态监测及应用系统姓 名 Jermaine Pen学 号 29010103023专业班级 通信工程 09C所在学院 电子信息学院指导教师 JianGuo.Shi 副教授完成时间 2013 年 5 月 10 日电子科技大学中山学院教务处制发基于加速度传感器 的姿态监测及应用系统摘 要本课题的主要任务是设计一种由一对无线传感器终端、一套三轴加速度传感器、LCD 显示屏组成的系统，系统中所有设备均通过单片机进行指令控制和协调操作。无线传感器终端发出的 X、Y、Z 轴加速度数值传送到监控主机，并利用主机进行数据处理、数据储存、数据显示等。系统充分利用了 nRF905
2、 无线传感器网络所具有的通信质量高、通信距离远、连通性好、可扩展性强、功耗低、便于开发等优点，提高了加速度变化规律检测的效率和质量，并且为人体姿态检测提供有效的依据，将为未来动物姿态研究引入新的技术支持。系统工作在 915MHz ISM 频段，数据传输率为 50Kbps，节点设备的工作电压为 1.9-3.6V，工作电流则与设备类型和工作状态有关，其中，无线传感器的静态电流仅仅 12.5A，节能设计更方便。关键词：nRF905；无线传感器网络；ADXL345；姿态检测；三轴加速度IPosition Monitoring And Application Systems Based on the A
3、cceleration SensorAbstractThis main task of this project is to design a system composed of a pair of wireless sensor terminal,a set of three axis acceleration sensor, LCD display,system all equipment through the MCU control commands and coordinated operation. Wireless sensor terminal sends a X,Y,Z a
4、xis acceleration value is transmitted to the monitoring computer,and data processing,data storage,data display by host MCU.The system makes full use of the communication quality of nRF905 wireless sensor network which has high, long communication distance, connectivity is good, strong scalability, l
5、ow power consumption, easy development advantages, improve the efficiency and quality detection of variation of acceleration, and provide effective basis for human posture detection, for the future of research into animal posture a new technical support.The system works in 915MHz ISM band, the data
6、transmission rate is 50Kbps, the working voltage is 1.9-3.6V, working current is related to the type of equipment and working state.The static current is only 12.5A.Keywords: nRF905; wireless sensor network; ADXL345; attitude detection; three axis accelerometerII目 录1 绪论 .11.1 项目背景 .11.2 项目的主要任务 .12
7、总体设计方案 .23 主要芯片简介 .33.1 NRF905.33.2 ADXL345.44 硬件设计 .94.1 无线主机 .94.2 无线从机 .114.3 监控主机 .135 软件设计 .145.1 ICCAVR 与 Keil 集成开发环境 .145.2 主机程序流程 .145.3 从机程序流程 .156 系统调试 .177 结论 .19参考文献 .20附 录 .21附录 A 系统样机实物图 .21附录 B 源程序清单 .22致 谢 .101 绪论1.1 项目背景在日趋成熟的科学界，人们对生活的追求越来越高，然而，健康的追求是人们永恒不变的话题。在医学科技发达的今天，60 岁以上的老年人
8、所占的比例越来越大，人口老龄化促使人们更加关注老年人的健康和生活质量。据统计，国外约 30%老年人每年跌倒一次，并造成不同程度的损害。而 70 岁以上的老年人跌倒年发生率高达 50%，跌倒后常常会造成严重的损害，而这些损害往往因为没有及时处理而被无限扩大，例如失血过多、疼痛过度至休克、伤口感染等二次伤害。跌倒不但给老年的心灵上的摧残，更极大地影响了老年人的生活，在病床上的医疗时间足以消耗老年人本来就不旺盛的意志。因此，本文设计一种基于三轴加速度传感器的人体姿态平衡检测系统，通过读取并分析三轴向加速度的数值，进行对老年人人体姿态实时检测，并预知老年人行进趋势，并通过无线通信网络等多种方式实现手段
9、，进行声光报警，通知周边的人，对跌倒老人进行扶助，可以大大减少老年人跌倒的二次伤害。无线通信网络可以有多种实现手段，其中，基于 Bluetooth 协议的系统数据传输率较高，但作用距离短，功耗大，组网能力弱；而 ZigBee 作为建立在 IEEE802.15.4 通信标准之上的低速无线个域网（LR-WPAN）协议规范，基于该技术的系统具有功耗小、可靠性高、组网能力强等优点，但数据速率低、传输距离近；NRF905 采用 Nordic 公司的 VLSI ShockBurst 技术，ShockBurst 技术使 nRF905 能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速 MCU 来进行数据处理/时钟覆
10、盖，极大降低成本，并拥有较高数据传输速率，同时传输距离较远，理论可达 1000 米，开发难度低，可靠性高等综合起来，成为本设计选择的无线通信网络核心组成部分。1.2 项目的主要任务本项目的主要任务就是通过三轴加速度传感器检测三轴加速度,并将模拟信号传送到单片机进行数据处理, 分析数据后判断人体是否平衡, 并在人体跌倒时给出声光报警。在满足以上功能的前提下进一步将声光报警用短信通知替代。性能要求如下:平衡检测反应在 3.0 秒以内, 信号传输距离要大于 3.0 米。12 总体设计方案系统的主要任务是利用加速度传感器实现姿态检测及跌倒判定。对于传感器模块的数据采集，要根据数据情况实行三级检测，通过
11、检测方式尽可能抵消误判的情况。系统总体上看是以 Atmega128 为主控器，并连接 NRF905、ADXL345 等模块。NRF905 模块为三轴加速度数据无线传输端，ADXL345 为加速度数据来源端。由 ADXL345 采集三轴加速度，Atmega128 单片机进行处理和分析，然后由发送端将数据送到 433Mhz 开放 ISM 频段，通过无线的方式将数据送到接收端单片机，接收端单片机对数据进行简单应用，如声光警报和数据显示。以上是本设计的设计思路和总体设计方案。如图 1-1 所示。图 1-1 整体设计框图本设计关键部分是数据算法处理，这部分在 Atmega128 单片机内进行。主要是对A
12、DXL345 数据进行处理。人体运动的加速度值，会随人体动作不断变化，而且ADXL345 是先接收模拟值数据再进行 AD 转换，所以，要得到有用的数据，必须进行三级检测。第一级检测，采用 SVM 算法，对传感器传出的数据进行简单的筛选，该算法具有自我学习能力，把大多类似跌倒的情况积累起来，进行统计。第二级，对第一级算法的进一步分析，通过比较软件自身设定的阈值来确定该动作是否跌倒、行走、坐下等，阈值更是根据用户的身高、体重、性别、年龄等信息设置。第三级，是在第二级处理之后，判断加速度值是否有变化，如果变化，则抛弃前面两级数据，如果没变化，再判断人体倾角状态，从而判断剧烈动作人体是否躺下，进一步确
13、定老人是否已经跌倒。23 主要芯片简介3.1 NRF905nRF905 是挪威 Nordic 公司推出的单片射频式 Transmitter Chip，工作电压为 1.9-3.6V，32 引脚方形扁平无引脚封装（5mm5mm ） 。符合国家 Radio Management Committee 标准，无需申请频点，工作于 433/868/915MHz3 个 ISM 频道（工业、科学和医学） 。本设计选择的无线传感器可以自动完成处理字头和 CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成 Manchester 编码/解码，使用 SPI 接口和 IC 接口与微控制器通信，配置非常方便，其功率消耗
14、是非常的低，以-10dBm 的输出功率发射时电流只有11mA，在器件开始接收模式时电流为 12.5mA。 nRF905 单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功放器，一个晶体和一个全自动调节器组成。ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和 CRC，可以很容易通过 SPI 接口和 IC 接口进行内部寄存器配置。图 3-1 为 NRF905 模块的硬件结构框图。图 3-1 NRF905 硬件结构以下是 NRF905 的主要特色和技术指标： 真正的单片 低功耗 ShockBurst 工作模式帧长：协议规定不超过 128B，实际有效数据载荷最大85B 工
15、作电源电压范围 1.93.6V 多通道工作ETSI/FCC 兼容 通道切换时间650usGFSK 滤波曼切斯特编码SPI 接口TX 地址TX 寄存器RX 寄存器配置寄存器SHOCKBURST解调处理数据处理CRC 处理地址处理中频BBF电源管理 晶体振荡器3 极少的材料消耗 微功率发射：最大发射功率为 10mW、高接收灵敏度，外围元件最少（仅 10 个） ，基本无需调试 高抗干扰能力和低误码率：基于 GFSK 的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干 扰和随机干扰的能力，在信道误码率为 10-2时，可得到实际误码率 10-510-6.） 采用 DSS+PLL 频率合成技术，
16、频率稳定性极好 无需外部 SAW 滤波器 输出功率可调至 10dBm 传输前监听的载波检测协议 当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号输出 侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信号图 3-2 为 NRF905 模块的外形及引脚排列图，为提高电磁兼容性，模块正面采用了金属屏蔽罩。根据天线形式、发射功率以及内置协议的不同，共有 10 多种可选的模块产品。图 3-2 NRF905 模块外形及引脚图3.2 ADXL345加速度传感器是能够测量物体运动物理量的电子设备。加速度，实际上就是物体在加速过程中所受外力的合力，更像是地球万有引力。在当今世界上，通过速度传感器测量物体外力引起的加速度，可
17、以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过计算动态加速度，可以分析出设备运行情况和动作趋势。现今工控技术的领域中，加速度传感器很4多用在分析高速运作的发动机振动上，用来做减震设备，最大程度保护机器运转的稳定性。另一方面，电脑硬盘也应用了加速度传感器，当硬盘不慎跌落时，加速度会大于自由落体时的数值，可以此来及时进行数据紧急备份。加速度传感器可分为压电式加速度传感器、压阻式速度传感器、电容式速度传感器、伺服速度传感器。在电子设备上较为常用的两种型号分别为 ADXL345 和 MMA7455。表 1-1为此两种型号速度传感器的参数。表 1-1 ADXL345 与 MMA7455 技术指标的对比指标 A
18、DXL345 MMA7455是否有抗噪声 有 无输出信号 16 位数字/模拟 10 位数字/模拟电压范围 3.3V-5V 3.3V-5V板载电源芯片 RT9161 RT9161功耗 低（一次性电池长期供电） 一般模块成本 12.50 元 13.00 元尺寸 28(mm)14(mm) 24.9(mm)12.7(mm)通信协议 SPI/IIC SPI由表 1-1 不难看出，ADXL 在数据输出方面有更出色的能力。ADXL 支持模拟和数字输出，在精度细分高的环境下，模拟输出通过 16 位 AD 转换可以得到 1024 个分级的数字信号，比直接的数字输出有更详细的数字信息。ADXL 模块和 MMA74
19、55 模块都支持 SPI 通信协议，而 ADXL345 更支持双线制的 IIC 通信协议，给主控机腾出更多的 I/O 接口，并可以为一些只有一个 SPI 模块驱动的单片机腾出更多的操作资源。根据以上的资料，本设计主要针对 ADXL345 性能分析和技术应用。ADXL345 用途相当广泛，小至单电源数据采集系统、仪器仪表，大至电池供电系统和医疗仪器，甚至在过程控制中也会应用到 ADXL345。ADXL345 有多种特殊的检测功能。可以根据活跃和非活跃的检测功能通过比较 X、Y、Z 任意方向的轴的加速度和用户的设置来检测设备之运动模式。图 3-3 为输出响应与重力方向的关系。5图 3-3 输出响应
20、与重力方向的关系图ADXL345 加速度传感器可以通过 IIC 或者 SPI 的方式与单片机进行数据交互，简单来说就是通信。根据 Datasheet 的介绍，本设计可以采取 SPI 通信模式和 IIC 通信模式。图 3-4 为数据手册推荐的 4 线式 SPI 模式的连接图，图 3-5 为数据手册推荐的 IIC 模式下的连接模式。图 3-4 推荐的 SPI 电气连接图 3-5 推荐的 IIC 电气连接ADXL345 还提供两个中断引脚，INT1 和 INT2，均是输出引脚，是推挽低阻抗引脚。这两个中断引脚可以控制双击事件、加速度大于指定数值事件、加速度小于指定数值事件、产生新数据中断等多种中断事件。下表 1-2 为中断引脚输出规格。
