三轴加速度传感器设计

1、中北大学课程设计说明书2013/2014 学年第 2 学期学 院：专 业：学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：三轴加速度传感器设计起 迄 日 期:课程设计地点:指 导 教 师: 专 业 负 责 人：下达任务书日期: 2014年6 月13 日目 录1、课程设计目的12、课程设计内容和要求12、1设计要求12.2、设计要求13、设计方案及实现情况13.1、设计思路13.2、工作原理及框图13.3、主要电路模块的使用23.4、实物结果图64、课程设计总结75、参考文献76、附录8附录1 原理图8附录2 PCB版图9附录3 C语言代码101、课程设计目的 综合应用模电、数电、微机原理、单片机原理、传

2、感器原理及应用和专业知识，通过理论与实践相结合，掌握所学知识的综合应用方法，培养和提高解决本专业实际工程问题的能力。2、课程设计内容和要求2、1设计要求：1. 文献检索和综述；2. 掌握三轴加速度传感器的工作原理；3. 画出传感器装配结构图；用protel绘制原理图；4. 所写说明书格式规范，内容完整；5. 参加答辩。2.2、设计内容：1. 设计传感器整体结构；4. 以ADXL345三轴加速度计为模型，设计测量电路，给出电路元件参数；5. 基于单片机的采集与显示电路方案设计；6. 用ADXL345搭建测试系统，仿真实验处理结果。3、设计方案及实现情况3.1、设计思路 根据题目要求，首先要对传感

3、器整体结构进行设计，以满足ADXL345三轴加速度计运行的环境；其次，选择合适的通信方式使单片机与传感器能正常通信传输数据；最后，对单片机外围结构进行设计，使单片机能正常工作，编写合适的C语言程序，使传感器传输的数据能够在外围器件上显示出来。3.2、工作原理及框图（1）工作原理 ADXL345三轴加速度计能够将三个方向的加速度g储存在其内部寄存其中，所以，通过适当控制指令以及与单片机I2C通信，就可将其传输到单片机中，然后对其进行编译。显示模块这里使用的是LCD1602,编译后的数据传送到与LCD1602相连的I/O口，通过读写指令就可显示出数据。每当ADXL345三轴加速度计记录数据发生变化

4、时，就更新LCD1602中显示的数据，这样就达到了基于单片机的采集与显示电路的设计。（2）系统框图ADXL345采集数据单片机编译1602显示单片机通信图1系统框图3.3、主要电路模块的使用（1）ADXL345电源模块 由于ADXL345使用的是3.3V供电电源，所以要对5V输入电源就行转化，这里使用的是RT9161 电源芯片，比 1117 更低的压降,更快的负载相应速度，非常适合高噪声电源环境。如图2，当输入电压为5V时，输出为3.3V,电路中所接的电容起滤波的作用。图2 RT9161电源模块 （2）ADXL345加速度计模块ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高（13）

5、位，测量范围达16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI或I2C数字接口访问。它可以在倾斜测量应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率，能够测量不到1.0的倾斜角变化。图3 ADXL345引脚图表1引脚功能表在本实验中，如图4，使用的是SPI通信，采用3线连接，片选接地，SDIO和SCLK与单片机相连进行通信。ADXL345图4 SPI通信接口表2 存储数据所在寄存器地址 如图5为本实验中ADXL345加速度计的原理图示意。图5 ADXL345原理图（3）单片机模块 在本实验中，使用到单片机的功能很少，因此，单片机工作在最小模块下。 图6 晶振模

6、块 图7 复位模块图8 单片机引脚连接图（4）LCD1602显示模块 点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H

7、，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。表3 LCD1602管脚功能 在此处，LCD1602的8个数据引脚需要上拉电阻来限制电流，同时3引脚可以接一个电位器用来调节显示屏背光亮度。图9LCD1602原理图3.4、实物结果图 由于在众多仿真软件中，没有ADXL345加速度计的模型，同时为了体现出ADXL345与MCU通信的过程，所以并不能用串行通信软件代替，所以此处通过，实物演示来例证。图10实物结果图4、课程设计总结经过为期三周的课程设计，我对C语言有了更加深刻的认识。在编写程序的时候，我才发现能看懂程序和能自己写程序是两个完

8、全不同的概念，自己一开始写程序时，即便是一个很简单的功能模块，在编译时也可能产生很多错误，在不断的改错过程中，自己对C语言的语法结构有了深刻的理解，对编译过程中常见的错误也有了全面的认识。通过这三周的课程设计，我在熟悉了EDA-V实验箱的操作同时，也学到了很多在学习课本知识时所体会不到的东西。最初拿到课程设计任务书时，感觉每个模块都在做实验时用过，心想只要把各个模块组合到一起就可以实现系统功能了，但结果其实不然；同时，通过实际动手连接元件，更加加深了我对ADXL345的深刻认识。完成此次设计后，我不仅能对PROTEUS仿真软件熟练操作，能达到学以致用，同时还掌握了ADXL345和LCD1602

9、的工作原理。经过这一过程，我发现平常的学习在注重理论知识的掌握同时，要加强实验环节，只有通过不断地实践，我们才能把知识掌握的更牢固，理解的更透彻。5、参考文献1Creed Huddleston著，张鼎 译.智能传感器设计.人民邮电出版社，20092松井邦彦 著.传感器实用电路设计与制作. 北京：科学出版社，20053范茂军主编.互联网与传感器技术. 北京：机械工业出版社，20124刘爱华、满宝元主编.传感器原理与应用技术.北京：人民邮电出版社，20105张宪主编.传感器与测控电路.北京：化学工业出版社，2011附录1、原理图附图1 ADXL345与单片机原理图2、PCB版图附图2 PCB版图3

10、、C语言代码#include #include /Keil library #include /Keil library#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DataPort P0 /LCD1602数据端口sbit SCL=P10; /IIC时钟引脚定义sbit SDA=P11; /IIC数据引脚定义sbit LCM_RS=P20; /LCD1602命令端口sbit LCM_RW=P21; /LCD1602命令端口sbit LCM_EN=P22; /LCD1602命令端口 #defineSlav

11、eAddress 0xA6 /定义器件在IIC总线中的从地址,根据ALT ADDRESS地址引脚不同修改 /ALT ADDRESS引脚接地时地址为0xA6，接电源时地址为0x3Atypedef unsigned char BYTE;typedef unsigned short WORD;BYTE BUF8; /接收数据缓存区 uchar ge,shi,bai,qian,wan; /显示变量int dis_data; /变量void delay(unsigned int k);void InitLcd(); /初始化lcd1602void Init_ADXL345(void); /初始化ADXL

12、345void WriteDataLCM(uchar dataW);void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc);void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData);void conversion(uint temp_data);void Single_Write_ADXL345(uchar REG_Address,uchar REG_data); /单个写入数据uchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address); /单个读取内部寄存器数据void Multiple

13、_Read_ADXL345(); /连续的读取内部寄存器数据/-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 ADXL345_ReadPage();void ADXL345_WritePage();/-/*void conversion(uint temp_data) wa

14、n=temp_data/10000+0x30 ; temp_data=temp_data%10000; /取余运算qian=temp_data/1000+0x30 ; temp_data=temp_data%1000; /取余运算 bai=temp_data/100+0x30 ; temp_data=temp_data%100; /取余运算 shi=temp_data/10+0x30 ; temp_data=temp_data%10; /取余运算 ge=temp_data+0x30; /*/void delay(unsigned int k)unsigned int i,j;for(i=0;i

15、k;i+)for(j=0;j121;j+);/*/void WaitForEnable(void)void WaitForEnable(void)DataPort=0xff;LCM_RS=0;LCM_RW=1;_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();while(DataPort&0x80);LCM_EN=0;_nop_();_nop_();/*/void WriteCommandLCM(uchar CMD,uchar Attribc)if(Attribc)WaitForEnable();LCM_RS=0;LCM_RW=0;_nop_()

16、;DataPort=CMD;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCM_EN=0;/*/void WriteDataLCM(uchar dataW)WaitForEnable();LCM_RS=1;LCM_RW=0;_nop_();DataPort=dataW;_nop_();LCM_EN=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();LCM_EN=0;/*/void InitLcd()WriteCommandLCM(0x38,1);WriteCommandLCM

17、(0x08,1);WriteCommandLCM(0x01,1);WriteCommandLCM(0x06,1);WriteCommandLCM(0x0c,1);/*/void DisplayOneChar(uchar X,uchar Y,uchar DData)Y&=1;X&=15;if(Y)X|=0x40;X|=0x80;WriteCommandLCM(X,0);WriteDataLCM(DData);/*延时5微秒*/void Delay5us() _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_

18、();_nop_();_nop_();_nop_();/*延时5毫秒*/void Delay5ms() WORD n = 560; while (n-);/*起始信号*/void ADXL345_Start() SDA = 1; /拉高数据线 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SDA = 0; /产生下降沿 Delay5us(); /延时 SCL = 0; /拉低时钟线/*停止信号*/void ADXL345_Stop() SDA = 0; /拉低数据线 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SDA = 1; /产生上升沿 Delay5u

19、s(); /延时/*发送应答信号入口参数:ack (0:ACK 1:NAK)*/void ADXL345_SendACK(bit ack) SDA = ack; /写应答信号 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时/*接收应答信号*/bit ADXL345_RecvACK() SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 CY = SDA; /读应答信号 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时 return CY;/*向IIC总线发送一个字节数据*/void ADX

20、L345_SendByte(BYTE dat) BYTE i; for (i=0; i8; i+) /8位计数器 dat = 1; /移出数据的最高位 SDA = CY; /送数据口 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时 ADXL345_RecvACK();/*从IIC总线接收一个字节数据*/BYTE ADXL345_RecvByte() BYTE i; BYTE dat = 0; SDA = 1; /使能内部上拉,准备读取数据, for (i=0; i8; i+) /8位计数器 dat = 1; SCL

21、 = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 dat |= SDA; /读数据 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时 return dat;/*单字节写入*void Single_Write_ADXL345(uchar REG_Address,uchar REG_data) ADXL345_Start(); /起始信号 ADXL345_SendByte(SlaveAddress); /发送设备地址+写信号 ADXL345_SendByte(REG_Address); /内部寄存器地址， ADXL345_SendByte(REG_data); /内部寄存器数

22、据， ADXL345_Stop(); /发送停止信号/*单字节读取*uchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address) uchar REG_data; ADXL345_Start(); /起始信号 ADXL345_SendByte(SlaveAddress); /发送设备地址+写信号 ADXL345_SendByte(REG_Address); /发送存储单元地址，从0开始 ADXL345_Start(); /起始信号 ADXL345_SendByte(SlaveAddress+1); /发送设备地址+读信号 REG_data=ADXL345_RecvBy

23、te(); /读出寄存器数据ADXL345_SendACK(1); ADXL345_Stop(); /停止信号 return REG_data; /*/连续读出ADXL345内部加速度数据，地址范围0x320x37/*void Multiple_read_ADXL345(void) uchar i; ADXL345_Start(); /起始信号 ADXL345_SendByte(SlaveAddress); /发送设备地址+写信号 ADXL345_SendByte(0x32); /发送存储单元地址，从0x32开始 ADXL345_Start(); /起始信号 ADXL345_SendByte(

24、SlaveAddress+1); /发送设备地址+读信号 for (i=0; i6; i+) /连续读取6个地址数据，存储中BUF BUFi = ADXL345_RecvByte(); /BUF0存储0x32地址中的数据 if (i = 5) ADXL345_SendACK(1); /最后一个数据需要回NOACK else ADXL345_SendACK(0); /回应ACK ADXL345_Stop(); /停止信号 Delay5ms();/*/初始化ADXL345，根据需要请参考pdf进行修改*void Init_ADXL345() Single_Write_ADXL345(0x31,0x

25、0B); /测量范围,正负16g，13位模式 Single_Write_ADXL345(0x2C,0x08); /速率设定为12.5 Single_Write_ADXL345(0x2D,0x08); /选择电源模式 Single_Write_ADXL345(0x2E,0x80); /使能 DATA_READY 中断 Single_Write_ADXL345(0x1E,0x00); /X偏移量 根据测试传感器的状态写入 Single_Write_ADXL345(0x1F,0x00); /Y 偏移量 根据测试传感器的状态写入 Single_Write_ADXL345(0x20,0x05); /Z

26、偏移量 根据测试传感器的状态写入/*/显示x轴void display_x() float temp; dis_data=(BUF18)+BUF0; /合成数据 if(dis_data0)dis_data=-dis_data; DisplayOneChar(2,0,-); /显示正负符号位else DisplayOneChar(2,0, ); /显示空格temp=(float)dis_data*3.9; /计算数据和显示,conversion(temp); /转换出显示需要的数据DisplayOneChar(0,0,X); /第0行，第0列 显示X DisplayOneChar(1,0,:);

27、 DisplayOneChar(3,0,qian); DisplayOneChar(4,0,.); DisplayOneChar(5,0,bai); DisplayOneChar(6,0,shi); DisplayOneChar(7,0,g); /*/显示y轴void display_y() float temp; dis_data=(BUF38)+BUF2; /合成数据 if(dis_data0)dis_data=-dis_data; DisplayOneChar(2,1,-); /显示正负符号位else DisplayOneChar(2,1, ); /显示空格temp=(float)dis_data*3.9; /计算数据和显示,conv