三軸加速度傳感器設計

1、中北大學課程設計說明書2013/2014學年第 2 學期學院：專業(yè)：學生姓名：學號：課程設計題目：三軸加速度傳感器設計起迄日期：課程設計地點：指導教師：專業(yè)負責人：下達任務書日期：2014年6月13日1 課 程 設 計 目的12 課 程 設 計 內(nèi) 容 和 要求12、1設計要求12.2、設計要求13 、 設 計 方 案 及 實 現(xiàn) 情況3.1 、設計思路13.2 工 作 原 理 及 框圖13.3 . 主 要 電 路 模 塊 的 使用23.4 、實 物 結 果圖64 課 程 設 計 總結75 參考文獻6、附錄8附錄1原理圖8附錄2 PCB版圖9附錄3 C語言代碼103/405/401、課程設計目

2、的綜合應用模電、數(shù)電、微機原理、單片機原理、傳感器原理 及應用和專業(yè)知識，通過理論與實踐相結合，掌握所學知識的綜 合應用方法，培養(yǎng)和提高解決本專業(yè)實際工程問題的能力。2、課程設計內(nèi)容和要求2、1設計要求：1 .文獻檢索和綜述；2 .掌握三軸加速度傳感器的工作原理；3 .畫出傳感器裝配結構圖；用protel繪制原理圖；4 .所寫說明書格式規(guī)范，內(nèi)容完整；5 .參加答辯。2.2、設計內(nèi)容：1 .設計傳感器整體結構；4 .以ADXL345三軸加速度計為模型，設計測量電路，給出電 路元件參數(shù)；5 .基于單片機的采集與顯示電路方案設計；6,用ADXL345搭建測試系統(tǒng)，仿真實驗處理結果。3、設計方案及實

3、現(xiàn)情況3.1、 設計思路根據(jù)題目要求，首先要對傳感器整體結構進行設計，以滿足 ADXL345三軸加速度計運行的環(huán)境；其次，選擇合適的通信方式 使單片機與傳感器能正常通信傳輸數(shù)據(jù)；最后，對單片機外圍結構進行設計，使單片機能正常工作，編寫合適的C語言程序，使 傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠在外圍器件上顯示出來。3.2、 工作原理及框圖(1)工作原理ADXL345三軸加速度計能夠將三個方向的加速度g儲存在 其內(nèi)部寄存其中，所以，通過適當控制指令以及與單片機Ke通 信，就可將其傳輸?shù)絾纹瑱C中，然后對其進行編譯。顯示模塊這 里使用的是LCD1602,編譯后的數(shù)據(jù)傳送到與LCD1602相連的I/O 口，通過讀寫指令

4、就可顯示出數(shù)據(jù)。每當ADXL345三軸加速度計 記錄數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，就更新LCD1602中顯示的數(shù)據(jù)，這樣就達 到了基于單片機的采集與顯示電路的設計。(2)系統(tǒng)框圖ADXL34匚二 單片機 匚二單片機1602顯圖1系統(tǒng)框圖3.3、 主要電路模塊的使用(1) ADXL345電源模塊由于ADXL345使用的是3. 3V供電電源，所以要對5V輸入電 源就行轉化，這里使用的是RT9161電源芯片，比1117更低的 壓降,更快的負載相應速度，非常適合高噪聲電源環(huán)境。如圖2,當輸入電壓為5V時，輸出為3. 3V,電路中所接的電容起濾波的 作用。GND圖2 RT9161電源模塊(2) ADXL345加速度計

5、模塊ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計，分辨率高(13) 位，測量范圍達±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式, 可通過SPI或Ke數(shù)字接口訪問。它可以在傾斜測量應用中測量 靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度。其 高分辨率，能夠測量不到1.0。的傾斜角變化。SCUSCLKVDDI/OGNDRESERVEDGNDGNDSDA/SDI/SDIOSDO/ALT ADDRESSRESERVEDNCINT2INcs圖3 ADXL345引腳圖表1引腳功能表引腳編號引腳名稱描述1Vdolo數(shù)字接口電源電壓。2GND該引腳必須接地。3RESERVED保留。該引腳

6、必須連接到VS或保持斷開。4GND該引腳必須接地。5GND該引腳必須接地。6Vs電源電壓.7CS片選。8INTI中斷1輸出。9INT2中斷2輸出。10NC內(nèi)部不連接。11RESERVED保留。該引腳必須接地或保持斷開。12SDO/ALT ADDRESS串行數(shù)據(jù)輸出（SPI4線）/備用K地址選擇（PC）13SDA/SDI/SDIO串行數(shù)據(jù)（PC）/串行數(shù)據(jù)輸入（SPI 4線）/串行數(shù)據(jù)輸入和輸出（SPI 3線）。14SCL/SCLK申行通信時鐘。5cL為I2C時鐘,SCLK為5Pl時鐘。在本實驗中，如圖4,使用的是SPI通信，采用3線連接, 片選接地，SDIO和SCLK與單片機相連進行通信。AD

7、XL345ADXL345processorcsOOdqutSDIO OO D IN/OUTsdoQSCLK OO DOUT圖4 SPI通信接口表2存儲數(shù)據(jù)所在寄存器地址地址名稱類型復位值描述十六進制十進制0x3250DATAX0R00000000X軸數(shù)據(jù)00x3351DATAX1R00000000X軸數(shù)據(jù)10x3452DATAY0R00000000Y軸數(shù)據(jù)00x3553DATAY1R00000000Y軸數(shù)據(jù)10x3654DATAZ0R00000000z軸數(shù)據(jù)00x3755DATAZ1R00000000Z軸數(shù)據(jù)1如圖5為本實驗中ADXL345加速度計的原理圖示意。VCC3.3VR3VCC3.3V

8、U2ADXL345Res34.7KR4Res34.7KGD22456VDDGND RESERVEDGND GNDVsSDA/SDI/SDIO on SDO RESERVEDNC INT21NT113J2TTJO巨SDARIRes34.7KGNDR2Res34.7K圖5 ADXL345原理圖（3）單片機模塊在本實驗中，使用到單片機的功能很少，因此，單片機工作 在最小模塊下。5/40SW-ADPTGM)圖6晶振模塊7復位模塊*CL !SDA 219P1.0 Pl.l Pl.2 Pl.3 Pl.4 Pl.5 PI.6 Pl.7(ADO)PO.O (ADl)PO.l (AD2)P0.2 (AD3)P0

9、.3 (AD4)P0.4 (AD5)P0.5 (AD6)P0.6 (AD7)P0.7P3.3(INT1)P3.2(lNT0)P3.5(T1)P3.4(T0)EA/VPP(A8)P2.0(A9)P2.1(A1O)P2.2(A11)P2.3 (A12)P2.4 (A13)P2.5 (A14)P2.6 (A15)P2.7RSTXTAL1XTAL2P3.7(RD)P3.6(WR)18XIX2RES 917vccGND (RXD)P3.0 (TXD)P3J ALE/PROG PSEN4020t-A|VCC5.0|-GNDC51ICap Semie30PFa II.05926MHZ一 XTALC6Cap

10、Semi 30PFA189C51圖8單片機引腳連接圖(4) LCD1602顯示模塊點陣圖形式液晶由MXN個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128歹IJ,每8列對應1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共16X8=128個點組成，屏上64X16個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應位6/40置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000HOOFH 的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(000H)=FFH時，則屏幕的左上角顯 示一條短亮線，長度為8個點；當(3FFH)二FFH時，則屏幕的 右下角顯示一條短亮線；當(000H)=FFH, (001H)=00H, (

11、002H) 二OOH, (OOEH) =00H, (OOFH)二00H時，則在屏幕的頂部顯 示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基 本原理。表3 LCD1602管腳功能編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDO電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端(H/L)12D5Data I/O5R/W讀/寫選擇端(H/L)13D6Data I/O6E使能信號14D7Data I/O7DOData I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極在此處,LCD1602的8個

12、數(shù)據(jù)引腳需要上拉電阻來限制電流, 同時3引腳可以接一個電位器用來調節(jié)顯示屏背光亮度。7/403.4、 實物結果圖由于在眾多仿真軟件中，沒有ADXL345加速度計的模型，同時為了體現(xiàn)出ADXL345與MCU通信的過程，所以并不能用串行通 信軟件代替，所以此處通過，實物演示來例證。圖10實物結果圖4、課程設計總結經(jīng)過為期三周的課程設計，我對C語言有了更加深刻的認識。 在編寫程序的時候，我才發(fā)現(xiàn)能看懂程序和能自己寫程序是兩個 完全不同的概念，自己一開始寫程序時，即便是一個很簡單的功 能模塊，在編譯時也可能產(chǎn)生很多錯誤，在不斷的改錯過程中, 自己對C語言的語法結構有了深刻的理解，對編譯過程中常見的 8

13、/40錯誤也有了全面的認識。通過這三周的課程設計，我在熟悉了 EDA-V實驗箱的操作同時，也學到了很多在學習課本知識時所體 會不到的東西。最初拿到課程設計任務書時，感覺每個模塊都在做實驗時用 過，心想只要把各個模塊組合到一起就可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能了，但 結果其實不然；同時，通過實際動手連接元件，更加加深了我對 ADXL345的深刻認識。完成此次設計后，我不僅能對PROTEUS仿真軟件熟練操作, 能達到學以致用，同時還掌握了 ADXL345和LCD1602的工作原理。 經(jīng)過這一過程，我發(fā)現(xiàn)平常的學習在注重理論知識的掌握同時, 要加強實驗環(huán)節(jié)，只有通過不斷地實踐，我們才能把知識掌握的 更牢固，理解的更

14、透徹。5、參考文獻1Creed Huddleston著,張鼎 譯,智能傳感器設計.人民郵 電出版社，20092松井邦彥著,傳感器實用電路設計與制作.北京：科學出 版社，20053范茂軍主編,互聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術.北京：機械工業(yè)出版 社，20124劉愛華、滿寶元主編,傳感器原理與應用技術.北京：人民 郵電出版社，20105張憲主編.傳感器與測控電路.北京：化學工業(yè)出版社，9/402011附錄1、原理圖45 / 40SW-ADFT'6 V«XCg，g 4.7UF-<2<DVC£J)V<5KD GXDV»VDD $DA$D15D：OGOT - 一

15、0 器SERVID X££S£RVH>NC.IKT2Cmivcc葉pro(AD：村 0pi.ifADIJPO.lPU2爾二pu(AD3JP03Pl.4伍DW.4P】J(AD5JPO.S 伍D5PC.6P16Pl.7ADB0.7P3 3巨蟲(AS)P2 0 fA95?2.1P3OT5：(A10JM.2P3.5GD，:AH 打.3P3 4(TC)(A12JP24<A13)P2.5五VP?(A14p2 5 川5段7KT All XIAL2VCCGNDLSIIXXDPJQP3.；西P3%F室）.強 ?SENR2Rts3 4F附圖1 ADXL345與單片機原理圖

16、2、PCB版圖friito-附圖2 PCB版圖3、C語言代碼Sinclude <REG51. H>Sinclude <math. h> /Keil librarySinclude <stdio. h> /Keil library#include <INTRINS. H>#defineuchar unsigned char#defineuint unsigned int#defineDataPort PO/LCD 1602 數(shù)據(jù)端口sbitSCL=PrO;/IIC時鐘引腳定義sbitSDA=Pri;/IIC數(shù)據(jù)引腳定義sbitLCM_RS=P20;

17、/LCD 1602 命令端口sbitLCM_RW=P21;/LCD 1602 命令端 口sbitLCM_EN=P2-2;/LCD 1602 命令端口#define SlaveAddress 0xA6 定義器件在 HC總線中的 從地址，根據(jù)ALT ADDRESS地址引腳不同修改/ALT ADDRESS引腳接地時地址為0xA6,接電源時地址為0x3A typedef unsigned char BYTE;BYTE BUF8;typedef unsigned short WORD;接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)顯示變量變量初始化lcdl602uchar ge, shi, bai, qian, wan;int dis

18、_data;void delay(unsigned int k);void InitLcdO ;void Init_ADXL345 (void);初始化 ADXL345void WriteDataLCM(uchar dataW);void WriteCommandLCM (uchar CNID, uchar Attribc);void DisplayOneChar(uchar X, uchar Y, uchar DData);void conversion(uint temp_data);void Single_Write_ADXL345(uchar REG_Address, ucharREG

19、_data);單個寫入數(shù)據(jù)uchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address);單個讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)voidMultiple_Read_ADXL345();連續(xù)的讀取內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)/void Delay5us ();void Delay5ms ();void ADXL345_Start();void ADXL345_Stop();void ADXL345_SendACK(bit ack);bit ADXL345_RecvACK();void ADXL345_SendByte(BYTE dat);BYTE ADXL345_RecvByte();void AD

20、XL345_ReadPage();void ADXL345_WritePage();/*void conversion(uint temp_data)(wan=temp_data/10000+0x30 ;temp_data=temp_data%10000; 取余運算qian=temp_data/1000+0x30 ;t emp_da t a=t emp_da t a% 1000;取余運算bai=temp_data/100+0x30;t emp_da t a=t emp_da t a% 100;取余運算shi=temp_data/10+0x30;t emp_da t a=t emp_da t a

21、% 10;取余運算ge=temp_data+0x30;/ / /void delay(unsigned int k) unsigned int i, j;for (i=0;i<k;i+) for(j=0;j<121;j+)；/ / /void WaitForEnable(void)void WaitForEnable(void)DataPort=Oxff;LCM_RS=0;LCM_RW=l;_nop_();LCM EN=1; nop () ; nop () ; nop () ; nop ();while (DataPort&0x80);LCM_EN=0; _nop_ ()

22、; _nop_ ();/ / f/void WriteCommandLCM(uchar CNffi,uchar Attribc) if (Attribc)WaitForEnable();LCM_RS=0;LCM_RW=0;_nop_();DataPort=CMD; nop () ; nop () ; nop () ; nop ();LCM EN=1; nop () ; nop () ; nop () ; nop () ;LCM EN=0;/ / f/void WriteDataLCM(uchar dataW)WaitForEnableO ;LCM_RS=1; LCM_RW=0 ;_nop_0

23、;DataPort=dataW; _nop_ ();LCM EN=1;nop_() ; _nop_ () ;_nop_() ;_nop_();LCM_EN=0;/vL vL vL vL/ /void InitLcdOWriteCommandLCM(0x38,1);WriteCommandLCM(0x08, 1);Wr i teCommandLCM(0x01, 1);WriteCommandLCM(0x06, 1);WriteCommandLCM(0x0c, 1);/vL vL vL vLvL vL vL vL/f void DisplayOneChar (uchar X,uchar Y, uc

24、har DData)Y&=1;X&二15;if (Y)X|=0x40;X|=0x80;Wr i teCommandLCM(X, 0);WriteDataLCM(DData);延時5微秒%A %A vt vt vt >X >1# >1# vL %£ %£ %£ £z Az Az Az Az >X >X >X >1# >1# vL vl/fvoid Delay5us ()(_nop_ () ;_nop_() ;_nop_() ;_nop_();_nop_ () ;_nop_() ;_nop_()

25、 ;_nop_();_nop_ () ;_nop_() ;_nop_() ;_nop_();/vt vtx x x x/延時5毫秒%A %A vt vt vt >X >1 >1 vL vL vL vL >£z >Az >Az >Az >Az >X >X X >1 >1 vL vLvt vt vt vt/fvoid Delay5ms()WORD n = 560;while （n一一）；/vt vt/起始信號%A %A vt vt vt >X >1 >1 vL vL vL vL >£

26、z >Az >Az >Az >Az >X >X X >1 >1 vL vLvt vt vt vt/fvoid ADXL345_Start()SDA = 1;SCL = 1;拉高數(shù)據(jù)線 拉高時鐘線Delay5us ();延時SDA = 0;Delay5us ();SCL = 0;產(chǎn)生下降沿延時拉低時鐘線/vt/停止信號%A %A vt vt vt >1# >1# vL vL vL vL >£z >Az >Az >Az >Az>1# >1# VL*/fvoid ADXL345_Stop(

27、)(拉低數(shù)據(jù)線拉高時鐘線延時產(chǎn)生上升沿延時SDA = 0;SCL = 1;Delay5us ();SDA = 1;Delay5us ();/vt vti發(fā)送應答信號入口參數(shù)：ack (O:ACK 1:NAK)>1 vL vL vL vL >£z >Az >Az >Az >Az>1 >1 vL vl/fvoid ADXL345_SendACK(bit ack)SDA = ack;SCL = 1;Delay5us ();SCL = 0;Delay5us ();寫應答信號拉高時鐘線延時拉低時鐘線延時/>A vl vl/接收應答信號%A

28、%A vt vt vt >1 >1 vL vL vL vL >£z >Az >Az >Az >Az>1 >1 vL vl/fbit ADXL345 RecvACKOSCL = 1;拉高時鐘線延時Delay5us ();讀應答信號拉低時鐘線延時CY = SDA;SCL = 0;Delay5us ();return CY;/vt vtvf>/向HC總線發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)%A %A xt vt vt >1# >1# vL vL vL vL >£z >£z >£z >&

29、#163;z >£x>1# >1#vt vt vt vt/>T >T 7fvoid ADXL345_SendByte(BYTE dat)BYTE i;for (i=0; i<8; i+)/8位計數(shù)器dat <<= 1;移出數(shù)據(jù)的最高位SDA 二 CY;送數(shù)據(jù)口SCL = 1;拉高時鐘線延時拉低時鐘線延時Delay5us ();SCL = 0;Delay5us ();)ADXL345_RecvACK();從HC總線接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)vt vt vl>1 >1 vL vL vL vL £z Az Az Az Az>

30、1 >1L*vl vl vl vl/7fBYTE ADXL345_RecvByte()BYTE i;BYTE dat = 0;SDA = 1;數(shù)據(jù)，for (i=0; i<8; i+)使能內(nèi)部上拉，準備讀取/8位計數(shù)器dat <<= 1;SCL = 1;拉高時鐘線Delay5us ();延時dat |= SDA;讀數(shù)據(jù)SCL = 0;拉低時鐘線Delay5us ();延時return dat;/*-Hj-（、（、.卜，卜，、，.， V、V、V、4. V、,；、,；、,；、.卜，卜 4、，、.、，. V、V、V、V、,；、,；、,；、,；、.卜，卜，、，、，、1、V、&#

31、171;. 4、void Single_Write_ADXL345(ucharREG Address, ucharREG_data)ADXL345_Start();起始信號ADXL345_SendByte(SlaveAddress);發(fā)送設備地址+寫信號xWXL345_SendByte(REG_Address);內(nèi)部寄存器地址,xWXL345_SendByte (REG_data);內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，ADXL345_Stop ();發(fā)送停止信號* 單 字 節(jié) 讀 取.V 'V'Vuchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address) uchar

32、REG_data;ADXL345_Start ();起始信號ADXL345_SendByte (SlaveAddress) ;/發(fā)送設備地址+寫信號ADXL345_SendByte(REG_Address) ;/發(fā)送存儲單元地址，從。開始ADXL345_Start ();起始信號xWXL345_SendByte(SlaveAddress+1);發(fā)送設 備地址+讀信號REG_data=ADXL345_RecvByte ();讀出寄存器數(shù)據(jù)ADXL345_SendACK(l);ADXL345_Stop();return REG_data;停止信號*/連續(xù)讀出ADXL345內(nèi)部加速度數(shù)據(jù)，地址范圍0

33、x320x37/*void Multiple_read_ADXL345(void)uchar i;ADXL345_Start();起始信ADXL345_SendByte(SlaveAddress);發(fā)送設備地址+寫信號ADXL345_SendByte(0x32);發(fā)送存起始信發(fā)送設連續(xù)讀取6/BUF0最后一回應ACK儲單元地址，從0x32開始ADXL345_Start ();號ADXL345_SendByte(SlaveAddress+1);備地址+讀信號for (i=0; i<6; i+)個地址數(shù)據(jù)，存儲中BUF(BUFi = ADXL345_RecvByte();存儲0x32地址中的

34、數(shù)據(jù)if (i = 5)(ADXL345_SendACK(l);個數(shù)據(jù)需要回NOACK)else(ADXL345_SendACK(0);ADXL345_Stop();Delay5ms ();%L %A vt vt xt >X%£ %£ %£ .J停止信號/初始化ADXL345 ,根據(jù)需要請參考pdf進行修改V kAx ., ." .!" q" .“ 1*" vl>X X" fx(、，；、,；、,；、,；、,；、xTx xTx，、，卜，、，. . xtx x?x (、xvx ,；、,；、,；、xTx xT

35、x Txvoid Init_ADXL345()Single_Write_ADXL345(0x31, OxOB);測量范圍，正負16g, 13位模式Single_Write_ADXL345(0x2C, 0x08);速率設定為12. 5Single_Write_ADXL345(0x2D, 0x08);選擇電源模式Single_Write_ADXL345(0x2E, 0x80);使能 DATA_READY中斷Single_Write_ADXL345(0xlE, 0x00) ;/X 偏移量 根據(jù)測試傳感器的狀態(tài)寫入Single_Write_ADXL345(0xlF, 0x00) ;/Y 偏移量根據(jù)測試

36、傳感器的狀態(tài)寫入Single_Write_ADXL345(0x20, 0x05) ;/Z 偏移量根據(jù)測試傳感器的狀態(tài)寫入%A >A vt vt xt >1# >1# vL vL vL vL >£z >Az >Az >AzXTX，；、；、，；、，：、，：、xTx xTx，、，、，、，. XTX 4、. «、X?x .；、顯示X軸void display_x() float temp;dis_data=(BUFl«8)+BUF0; 合成數(shù)據(jù)if (dis_data<0)di s_data=-di s_data;Displ

37、ayOneChar0,' -')； 顯示正負符號位)else DisplayOneChar (2, 0,J '); 顯示空格temp= (float)dis_data*3. 9; 計算數(shù)據(jù)和顯示,conversion (temp);轉換出顯示需要的數(shù)據(jù)DisplayOneChar (0, 0,，); 第 0 行,第 0 列 顯示 XDisplayOneChar (1,0,':;DisplayOneChar(3, 0, qian);DisplayOneChar(4, 0,.)；DisplayOneChar(5, 0, bai);DisplayOneChar(6, 0, shi);DisplayOneChar (7, 0, ' g');*/顯示 y 軸 void display_y() float temp;dis_data=(BUF