基于LPC2136的傾角檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

李力 陳新華 馮軍軍

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，平衡檢測(cè)技術(shù)被用到多個(gè)領(lǐng)域，如老人防跌倒檢測(cè)、機(jī)器人平衡狀態(tài)檢測(cè)、車輛平衡檢測(cè)、飛行器的姿態(tài)測(cè)量等。因此本文基于LPC2136控制器，設(shè)計(jì)了一款便攜式的傾角檢測(cè)儀。

關(guān)鍵詞：傾角檢測(cè);平衡檢測(cè);ADXL345;LPC2136

中圖分類號(hào)：TP312 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）24-0235-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Inclination Detector Based on LPC2136

LI Li，CHEN Xin-hua，F(xiàn)ENG Jun-jun

（Department of Information Engineering， Sichuan Vocational College of Information Technology， Guangyuan 628017， China）

Abstract： With the development of society， balance detection technology has been used in many fields， such as fall-proof test for the elderly， balance state detection of robots， vehicle balance detection， posture measurement of aircraft， etc. Therefore， based on LPC2136 controller， a portable inclination detector is designed in this paper.

Key words： Ultrasonic; Ultrasonic ranging; Ultrasonic ranging instrument; Microcontroller; LPC2136

平衡檢測(cè)或傾角檢測(cè)被廣泛地應(yīng)用到現(xiàn)代生活的各個(gè)方面，如手持設(shè)備、工業(yè)控制、個(gè)人導(dǎo)航、醫(yī)療設(shè)備等都會(huì)用到傾角檢測(cè)。因此本文基于LPC2136微控制器，利用ADXL345傳感器設(shè)計(jì)了一款便攜式的傾角檢測(cè)儀。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由核心控制模塊和3個(gè)子功能模塊組成。核心控制模塊完成外設(shè)的初始化以及子程序調(diào)用;傾角檢測(cè)子模塊主要完成傾角檢測(cè);語音子模塊完成語音錄放功能;顯示子模塊主要用于顯示傾角。

其中微控制器選用的是LPC2136，傾角檢測(cè)模塊選用的是ADXL345傳感器，語音模塊選用的是LM386音頻放大器和ISD4004語音芯片，顯示模塊選用的是LCD1602字符型液晶。

1.1 LPC2136微控制器

LPC2136是PHILIPS公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI-S微控制器，特點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)、效率高、封裝小、功耗低[1];分別有256KB的Flash程序存儲(chǔ)器和32KB的片內(nèi)SRAM存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)[2];2個(gè)串口，47個(gè)通用I/O口，9個(gè)外部中斷[3];2個(gè)32位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可用于定時(shí)和計(jì)數(shù)[4]。

1.2 ADXL345三軸加速度傳感器

ADXL345是ADI 公司的一款3軸數(shù)字加速度傳感器[5]，可以檢測(cè)被測(cè)物體在x、y、z軸三個(gè)方向的加速度變化，從而計(jì)算其傾角變化。

ADXL345的加速度最大測(cè)量范圍為±16g，最高分辨率為13位[6]，靈敏度為3.9mg/LSB，可以檢測(cè)小于1°的傾角變化;可以測(cè)量靜態(tài)重力加速度和動(dòng)態(tài)加速度[7];32級(jí)FIFO緩存，可以存儲(chǔ)32組x、y、z軸的檢測(cè)數(shù)據(jù)，最大限度地減小對(duì)主控制器的影響;40～145uA 的超低功耗，待機(jī)模式只有 0.1uA;14引腳的LGA封裝，尺寸為3mm*5mm*1mm;數(shù)據(jù)以16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼方式輸出，通信方式有I2C或者SPI[8]。

ADXL345的檢測(cè)軸如圖2所示，當(dāng)檢測(cè)軸向上時(shí)，其檢測(cè)的是正加速度;當(dāng)檢測(cè)軸向下時(shí)，檢測(cè)的是負(fù)加速度;當(dāng)某個(gè)檢測(cè)軸處于水平面時(shí)，其對(duì)應(yīng)的加速度為0g。如圖2所示，Z軸垂直向上，且X和Y軸處于水平面時(shí)，X、Y、Z軸的加速度分別為：Xout=0g，Yout=0g，Zout=最大正向加速度。當(dāng)ADXL345的Z軸垂直向下時(shí)，X、Y、Z軸的加速度分別為：Xout=0g，Yout=0g，Zout=最大反向加速度。

ADX345對(duì)于每個(gè)檢測(cè)軸的數(shù)據(jù)都分別通過2個(gè)8位的數(shù)據(jù)寄存器以16 位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式的方式輸出。例如X軸的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過DATAX0（低字節(jié)）和DATAX1（高字節(jié)）輸出。

ADXL345數(shù)據(jù)的輸出格式與分辨率（固定的10位分辨率和全分辨率）、測(cè)量范圍（±2g，±4g，±8g，±16g）和數(shù)據(jù)對(duì)齊方式（左對(duì)齊和右對(duì)齊）有關(guān)。分辨率模式、測(cè)量范圍、數(shù)據(jù)對(duì)齊方式都可以通過DATA_FORMAT寄存器進(jìn)行設(shè)置。

假設(shè)為全分辨率，測(cè)量范圍為±16g，則分辨率為13位，數(shù)據(jù)右對(duì)齊，DATAZ0和DATAZ1的數(shù)據(jù)分別為0000 1111 1111 1111，高4位（符號(hào)位）為0，說明檢測(cè)為正向加速度，則ADXL345輸出的數(shù)字信號(hào)與加速度轉(zhuǎn)換方法為，將0000 1111 1111 1111轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制再與比例因子相乘，即：加速度az=（212-1）LSB×3.9mg/LSB=15.9705g。

如果DATAZ0和DATAZ1的數(shù)據(jù)分別為1111 0000 0000 0000，其他條件不變，高4位為1111，說明檢測(cè)的是負(fù)加速度，則加速度計(jì)算方法為，首先將補(bǔ)碼變成原碼，即0001 0000 0000 0000，再轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制與比例因子相乘，所以加速度az=-212LSB×3.9mg/LSB=-15.9744g。

在應(yīng)用環(huán)境中，如果要傾角檢測(cè)，則需要將檢測(cè)到的加速度轉(zhuǎn)化為傾角，假設(shè)最大正向加速度為a，每個(gè)檢測(cè)軸的加速度分別為ax、ay、az，則X、Y、Z軸與重力反方向的夾角為A、B、C，如圖3所示。

根據(jù)三角函數(shù)可知，每個(gè)檢測(cè)軸檢測(cè)到的加速度與重力反方向的夾角的關(guān)系為：

ax=a*cosA，ay=a*cosB，az=a*cosC

a相當(dāng)于由ax，ay，az組成的長(zhǎng)方體的對(duì)角線，因此它們之間的關(guān)系為：

[a=ax2+ay2+az2]

由此可推得X、Y、Z軸與重力反方向的夾角分別為：

A=acos（ax/a）*180/3.14

B=acos（ay/a）*180/3.14

C=acos（az/a）*180/3.14

所以X、Y、Z軸與水平方向的夾角A'、B'、C'分別為：A'=90-A，B'=90-B，C'=90-C。

1.3 LCD1602液晶顯示器

LCD1602液晶顯示器共兩行，每行16個(gè)字符模塊;可以顯示數(shù)字、字母和符號(hào)，但不能顯示圖形。每個(gè)模塊都是一個(gè)5×11或5×7的點(diǎn)陣，模塊間有一個(gè)點(diǎn)的間距[9]。

1.4 ISD4004語音芯片和LM386音頻功率放大器

ISD4004語音芯片，輸出的音質(zhì)高;單個(gè)芯片的錄放時(shí)間為8～16分鐘，可錄音10萬次;3V的工作電壓;通信方式有SPI或者M(jìn)icrowire;常用在便攜式語音設(shè)備中。

LM386音頻功率放大器，特點(diǎn)是外接元件少、失真小、功耗低、工作電壓范圍寬等，常用于各種收音和錄音設(shè)備中。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文中程序使用keil uvision4作為程序編譯、調(diào)試工具，編程語言為C語言。整個(gè)系統(tǒng)由主控制程序和多個(gè)子程序組成。主控制程序完成各種外設(shè)的初始化以及子程序的調(diào)用。不同的子程序用于完成不同的子功能，其中傾角檢測(cè)子程序主要完成傾角檢測(cè);語音采集子程序用于完成系統(tǒng)語音的采集;顯示子程序用于實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的傾角;語音播報(bào)子程序主要完成檢測(cè)傾角的語音播報(bào)。

3 電路調(diào)試與結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)框架圖和選擇的硬件設(shè)備，繪制電路圖并制版、焊接，編寫并調(diào)試程序，設(shè)計(jì)了一款基于LPC2136微控制器的傾角檢測(cè)儀。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)量效果良好、性能可靠，適用多種場(chǎng)合下的傾角測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 喻海軍. 基于ARM的汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

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[8] 金思達(dá)，徐藝銘.淺談基于單片機(jī)的計(jì)步器設(shè)計(jì)[J].電子制作，2018（08）：8-9.

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【通聯(lián)編輯：梁書】