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3.1 、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6、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103/405/401、课程设计目

2、的综合应用模电、数电、微机原理、单片机原理、传感器原理 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

3、现情况3.1、 设计思路根据题目要求，首先要对传感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Ke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

4、就可显示出数据。每当ADXL345三轴加速度计 记录数据发生变化时，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ADXL34匚二 单片机 匚二单片机1602显图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。GND图2 RT9161电源模块(2) ADXL345加速度计

5、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) 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Ke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。SCUSCLKVDDI/OGNDRESERVEDGNDGNDSDA/SDI/SDIOSDO/ALT ADDRESSRESERVEDNCINT2INcs图3 ADXL345引脚图表1引脚功能表引脚编号引脚名称描述1Vdolo数字接口电源电压。2GND该引脚必须接地。3RESERVED保留。该引脚

6、必须连接到VS或保持断开。4GND该引脚必须接地。5GND该引脚必须接地。6Vs电源电压.7CS片选。8INTI中断1输出。9INT2中断2输出。10NC内部不连接。11RESERVED保留。该引脚必须接地或保持断开。12SDO/ALT ADDRESS串行数据输出（SPI4线）/备用K地址选择（PC）13SDA/SDI/SDIO串行数据（PC）/串行数据输入（SPI 4线）/串行数据输入和输出（SPI 3线）。14SCL/SCLK申行通信时钟。5cL为I2C时钟,SCLK为5Pl时钟。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。AD

7、XL345ADXL345processorcsOOdqutSDIO OO D IN/OUTsdoQSCLK OO DOUT图4 SPI通信接口表2存储数据所在寄存器地址地址名称类型复位值描述十六进制十进制0x3250DATAX0R00000000X轴数据00x3351DATAX1R00000000X轴数据10x3452DATAY0R00000000Y轴数据00x3553DATAY1R00000000Y轴数据10x3654DATAZ0R00000000z轴数据00x3755DATAZ1R00000000Z轴数据1如图5为本实验中ADXL345加速度计的原理图示意。VCC3.3VR3VCC3.3V

8、U2ADXL345Res34.7KR4Res34.7KGD22456VDDGND RESERVEDGND GNDVsSDA/SDI/SDIO on SDO RESERVEDNC INT21NT113J2TTJO巨SDARIRes34.7KGNDR2Res34.7K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。5/40SW-ADPTGM)图6晶振模块7复位模块*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图8单片机引脚连接图(4) LCD1602显示模块点阵图形式液晶由MXN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128歹IJ,每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16X8=128个点组成，屏上64X16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6/40置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000HOOFH 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)二FFH时，则屏幕的 右下角显示一条短亮线；当(000H)=FFH, (001H)=00H, (

11、002H) 二OOH, (OOEH) =00H, (OOFH)二00H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管脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDO电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端(H/L)12D5Data I/O5R/W读/写选择端(H/L)13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7DOData I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极在此处,LCD1602的8个

12、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。7/403.4、 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 8

13、/40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

14、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，9/402011附录1、原理图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叶pro(AD：村 0pi.ifADIJPO.lPU2尔二pu(AD3JP03Pl.4伍DW.4P】J(AD5JPO.S 伍D5PC.6P16Pl.7ADB0.7P3 3巨虫(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）.强 ?SENR2Rts3 4F附图1 ADXL345与单片机原理图

16、2、PCB版图friito-附图2 PCB版图3、C语言代码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 数据端口sbitSCL=PrO;/IIC时钟引脚定义sbitSDA=Pri;/IIC数据引脚定义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 定义器件在 HC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0x3A typedef unsigned char BYTE;BYTE BUF8;typedef unsigned short WORD;接收数据缓存区显示变量变量初始化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);单个写入数据uchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address);单个读取内部寄存器数据voidMultiple_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 AD

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

21、% 10;取余运算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);延时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/延时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/起始信号%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;拉高数据线 拉高时钟线Delay5us ();延时SDA = 0;Delay5us ();SCL = 0;产生下降沿延时拉低时钟线/vt/停止信号%A %A vt vt vt >1# >1# vL vL vL vL >£z >Az >Az >Az >Az>1# >1# VL*/fvoid ADXL345_Stop(

27、)(拉低数据线拉高时钟线延时产生上升沿延时SDA = 0;SCL = 1;Delay5us ();SDA = 1;Delay5us ();/vt vti发送应答信号入口参数：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 ();写应答信号拉高时钟线延时拉低时钟线延时/>A vl vl/接收应答信号%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;拉高时钟线延时Delay5us ();读应答信号拉低时钟线延时CY = SDA;SCL = 0;Delay5us ();return CY;/vt vtvf>/向HC总线发送一个字节数据%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位计数器dat <<= 1;移出数据的最高位SDA 二 CY;送数据口SCL = 1;拉高时钟线延时拉低时钟线延时Delay5us ();SCL = 0;Delay5us ();)ADXL345_RecvACK();从HC总线接收一个字节数据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;数据，for (i=0; i<8; i+)使能内部上拉，准备读取/8位计数器dat <<= 1;SCL = 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;/*-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();起始信号ADXL345_SendByte(SlaveAddress);发送设备地址+写信号xWXL345_SendByte(REG_Address);内部寄存器地址,xWXL345_SendByte (REG_data);内部寄存器数据，ADXL345_Stop ();发送停止信号* 单 字 节 读 取.V 'V'Vuchar Single_Read_ADXL345(uchar REG_Address) uchar

32、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。开始ADXL345_Start ();起始信号xWXL345_SendByte(SlaveAddress+1);发送设 备地址+读信号REG_data=ADXL345_RecvByte ();读出寄存器数据ADXL345_SendACK(l);ADXL345_Stop();return REG_data;停止信号*/连续读出ADXL345内部加速度数据，地址范围0

33、x320x37/*void Multiple_read_ADXL345(void)uchar i;ADXL345_Start();起始信ADXL345_SendByte(SlaveAddress);发送设备地址+写信号ADXL345_SendByte(0x32);发送存起始信发送设连续读取6/BUF0最后一回应ACK储单元地址，从0x32开始ADXL345_Start ();号ADXL345_SendByte(SlaveAddress+1);备地址+读信号for (i=0; i<6; i+)个地址数据，存储中BUF(BUFi = ADXL345_RecvByte();存储0x32地址中的

34、数据if (i = 5)(ADXL345_SendACK(l);个数据需要回NOACK)else(ADXL345_SendACK(0);ADXL345_Stop();Delay5ms ();%L %A vt vt xt >X%£ %£ %£ .J停止信号/初始化ADXL345 ,根据需要请参考pdf进行修改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);测量范围，正负16g, 13位模式Single_Write_ADXL345(0x2C, 0x08);速率设定为12. 5Single_Write_ADXL345(0x2D, 0x08);选择电源模式Single_Write_ADXL345(0x2E, 0x80);使能 DATA_READY中断Single_Write_ADXL345(0xlE, 0x00) ;/X 偏移量 根据测试传感器的状态写入Single_Write_ADXL345(0xlF, 0x00) ;/Y 偏移量根据测试

36、传感器的状态写入Single_Write_ADXL345(0x20, 0x05) ;/Z 偏移量根据测试传感器的状态写入%A >A vt vt xt >1# >1# vL vL vL vL >£z >Az >Az >AzXTX，；、；、，；、，：、，：、xTx xTx，、，、，、，. XTX 4、. «、X?x .；、显示X轴void display_x() float temp;dis_data=(BUFl«8)+BUF0; 合成数据if (dis_data<0)di s_data=-di s_data;Displ

37、ayOneChar0,' -')； 显示正负符号位)else DisplayOneChar (2, 0,J '); 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,，); 第 0 行,第 0 列 显示 XDisplayOneChar (1,0,':;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=(BUF