1、加速度传感器论文速度传感器论文基于 MEMS 加速度传感器的孕妇姿势报警仪的设计要 摘 为预防孕妇长时间站立或坐着等不规范的姿势对胎儿产生不良影响,充分利用加速度传感器和 Zigbee 技术,设计一种基于单片机的报警系统,详细地介绍系统的软硬件设计及其实现的功能。此设计的系统有效地解决了孕妇因为长时间站立或是坐着对胎儿以及对孕妇产生的不良影响,大大降低早产的发生概率。 关键词 MXC6202xG/H/M/N;Zigbee 通信模块;孕妇 1 根据美国产科学和妇科学杂志的一项调查显示,那些长期站立或者坐着的孕妇,有较大可能发生早产或分娩不足磅重的婴儿。长期站立或压迫双腿易造成腿部静脉充血,使血液
2、回流困难,这样的话流到子宫的血液就会减少,从而导致以上病例发生。本文用 MEMS 微型加速度系统实现一种测量孕妇的运动状态的装置,利用加速度计,系统在动作初期抓取动作信息,通过 Zigbee 通信模块及相应的接口电路将信号传递给单片机,然后进行信息的处理,算出相对加速度以及倾角,如果超过限度,则驱动振动器振动从而达到提醒孕妇的目的。 1 数据采集模块 本设计采用 MXC6202xG/H/M/N 系列加速度传感器实现数据的采集,它是低成本、低功耗双轴的带有 I2C 接口的加速度传感器。该系列加速度传感器将传感器系统及相关信号调理电路和 I2C 总线结构集成在单片集成电路上,可以直接连接到一个单片
3、机等处理器上,消除了 A/D 转换和定时占有的资源。具有结构简单、动态响应好、能实现无接触式测量、灵敏度好、分辨率强等优点。加速度的传感器主要需要用来测量加速度和倾角,加速度的测量用于判断孕妇是站立还是坐着的状态,倾角的测量用于判断孕妇的身体弯曲程度。将加速度计1 和加速度计 2 分别戴孕妇的肩上和腿上,判定姿势的原理如下:孕妇坐下的一瞬间,肩上的加速度计 1 测得竖直向下的加速度,腿上的加速度计 2 测得的值为零,算出竖直方向的相对加速度,可以判定出孕妇是坐下了,然后定时器开始计时,超过额定的时间则发出驱动信号驱动振动模块产生振动。同理,如果孕妇站起来的一瞬间,肩上的加速度计测到的加速度竖直
4、向上,可以判定孕妇站起来了。如果水平方向上相对加速度为零,竖直方向上,腿在抬起的过程中腿上的加速度计有向上的加速度,通过此可知道孕妇在走动。从而通过不同的加速度,我们可以判定出孕妇的不同的姿势。 倾角的测量原理如下:根据经典力学可以知道,当对象与基准平面有一个角度的夹角时。其运动方向的加速度与重力加速度的比值和没有夹角时其加速度与重力加速度的夹角是不同的。根据力的分解,重力加速度就会有分量作用在Ax 方向,且 Ax=gsin,于是倾斜角=sin-1(Ax/g)。 利用双轴的加速度传感器,其两个夹角之间相差 90,两个角分别为 45和 135角,当人静止在平面上时,加速度传感器的两个轴向测得加速
5、度:Ax=Ay=0.707g。 图 1 测量力学原理图 当人在行走时,加速度传感器的两个轴向就会测得两个大小相等,极性相反的加速度变化,而(Ax+Ay)保持不变,当人体倾斜时,倾斜角=cos-10.707(AX+AY)/g。但是在实际情况中,由于测量、安装等原因,几乎不可能做到加速度传感器与人的径向正好成 45。所以需要在系统初始化时,首先测量出加速度传感器与人的径向的夹角 ,可根据公式 =arctan(Ay+Ax)计算得到。由此可得最后的倾斜角为: =cos-1(Axsiny+xAYcos)/g。 根据这个数学模型,可以很好的测得角度的变化。测得的角度数据利用单片机判断是否超过了范围,如果超
6、过的话就驱动报警器,以提示孕妇姿势不对。 2 数据处理模块和通信模块 本设计采用 CC2430 电路板开发模块,CC2430 芯片是 Chipcon 公司生产的首款符合 Zigbee 技术的 2.4GHz 射频系统单芯片,它在单个芯片上整合了Zigbee 射频前端、内存和微控制器。它使用 1 个 8 位 MCU(8051),具有 128KB可编程内存和 8KB 的 RAM,还包含了模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、32kHz 晶振的休眠模式定时器、上点复位电路等,由于在本设计中数据量不大,并且要随时复位,因此我们可以直接采用 CC2430 上自带的单片机来进行数据的处理。CC
7、2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性,耗电量很小,特别适合要求电池寿命非常长的应用,因此完全满足本设计的应用。 采用 Zigbee 进行通信的好处在于,它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、高容量、短时延、低成本的双向无线通信技术,Zigbee 采用一种“准备好才发送”的通信策略,它只在有数据要发送时才发送数据,然后再等待自动确认。“准备好才发送”是一种“面对面”式的方案,是一种能量效率非常高的方案。而且,这种“面对面”式策略使得射频干扰非常低,这主要是由于Zigbee 节点具有非常低的占空比,只偶尔发射信号且只发送少量的数据。Zigbee 技术并不是完全独立、全新的标准
8、,它的物理层、MAC 层采用了IEEE802.15.4 协议标准。 3 设计原理和框图 该设计由微型传感器系统、单片机、CC2430 和 I/O 接口设计的一个小体积的动作抓取系统。分为信号采集,信号处理和分析,数据记录、存储及情况处理 3 部分,采集加速度计输出的信号,人为的设置单片机的 I/O 接口,软件编程实现 I/O 接口模拟 I2C 接口,肩上和腿上采集到的加速度通过 Zigbee 通信分别进入到单片机,然后通过编程辨别孕妇是坐着的还是站着的,同时通过编程计算倾角判定孕妇弯曲姿势是否超过了正常偏移值,完成动作判断,如果站立或坐着的时间过长,或是弯曲姿势超过正常偏移值,则驱动振动器,从
9、而提醒孕妇改正。具体框图如下图 2 所示: 图 2 系统组成框图 本文利用 MXC6202x 系列加速度传感器设计,体积小、重量轻,误差较小,孕妇佩戴方便,不影响孕妇的正常动作。把低成本、低功耗的无线 ZigBee 技术应用于此设计中,减少了系统现场布线带来的各种问题,无线网络,安全性好,系统功能完善。两大技术的优势使得本文设计的孕妇的伴侣将发挥它的最大的功效,减小胎儿早产几率的发生。相信随着这种新技术的推广,能引起更多的人重视及兴趣。 参考文献 1林少锋,何一.基于 CC2420 的 ZigBee 无线网络节点设计J.电子设计工程,2009,3. 2嵇正华,成良兵,张仁杰,杨晖.数字式 MEMS 加速度传感器在倾角测量的应J.微计算机信息. 3孙黉杰,汤一平,袁莹.智能睡眠枕的研究J.浙江工业大学学报,2010,6. 4安萍,付阳,李科佳,赵瑜.游戏健身机.2007 年美新杯 MEMS 加速度应用大赛.2007(5).
