一種基於三軸加速度計的方位控制系統的製作方法

2023-07-09 15:34:51

一種基於三軸加速度計的方位控制系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的。這種基於三軸加速度計的方位控制系統，包括單片機和分別於單片機連接的三軸加速度傳感器、顯示屏、上位機、微型振動電機。本實用新型的有益效果是：實現了方位控制系統的功能，其中包括實現了μC/OS-II作業系統移植，三軸加速度傳感器的數據採樣，TFT屏顯二維圖像文字信息以及單片機與上位機之間的串口通信。同時該系統的上位機實現了OpenGL三維場景的搭建，能對虛擬三維小球的方位進行控制，還加入三維小球障礙物的碰撞識別功能，並能使用鍵盤對上位機運行/停止進行設置。
【專利說明】一種基於三軸加速度計的方位控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種方位控制系統，更具體說，它涉及一種基於三軸加速度計的方位控制系統。
【背景技術】
[0002]隨著微機械加工技術(下文簡稱MEMS, Micro Electro - Mechanical System)的快速發展，各種基於MEMS技術的器件也應運而生。MEMS器件主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路幾部分。米用MEMS技術製作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及消費類電子領域都有著十分廣闊的應用前景。
[0003]三軸加速度傳感器作為基於MEMS技術的典型電子器件,能提供方向、雙擊、搖晃、傾斜和振動等檢測功能。因其較低的成本、小尺寸、低功耗、高性能等優勢，已大規模應用到消費類電子產品的設計中。比較成功的應用有姿態與動作控制識別、趣味性擴展功能、功耗控制等。
[0004]隨著MEMS技術的成熟，微機械三軸加速度傳感器的各項指標都已經基本達到了現階段應用開發的要求。其目的就是要獲取測量目標在相對於地球引力方向的位置關係，一般反應為x、y、z三軸的數據。這個數據可以是模擬量也可以是數字量，取決於所選傳感器的信號處理電路類型。應用開發者通過獲取三組數據，並在計算機上對其進行處理，就可以得到測量目標物在三個基準軸上的角度傾斜程度，從而判斷出測量目標物在空間中的相對姿態。
[0005]目前，微機械三軸加速度傳感器被廣泛的應用於消費類電子，汽車電子、醫療保險、工業控制等領域。但由於其適用範圍的限制和開發流程的複雜化，導致了它的開發門檻並沒有隨著其產品性能的優化而有所降低。

【發明內容】

[0006]本實用新型的目的是克服現有技術中的不足，提供一種結構合理，適用範圍廣，開發流程簡單的基於三軸加速度計的方位控制系統。
[0007]本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的。這種基於三軸加速度計的方位控制系統，包括單片機和分別於單片機連接的三軸加速度傳感器、顯示屏、上位機、微型振動電機；
[0008]所述單片機為ST公司的STM32F103ZET6單片機，以下簡稱STM32 ；其CPU的PA9-US1-TX (P6.8)、PA IO-US1-RX (P6.9)、PA9-US2-TX (P2.5)、PA10-US2-RX (P2.6)通過MAX3232實現兩路RS-232接口，分別連接在XS5和XS17接口上，用於同上位機通信；
[0009]所述三軸加速度傳感器為ADI公司的ADXL345型三軸數字式加速度傳感器；三軸加速度傳感器模塊的SCL與STM32的PA9連接，SDA與STM32的PAlO相連接；
[0010]所述顯示屏為2.4寸TFT顯示器集成ILI9325控制器，IXD片選CS採用FSMC_NEl (P8.8)，FSMC_A16 (P5.8)作為 LCD 的 RS 選擇，FSMC_nffE (P8.6)作為 LCD 的 /WE，FSMC_nOE (P8.5)作為 LCD 的 /RD，LCD 的 RESET 腳用 STM32 的 PEl (P9.8)，FSMC_D0 ?FSMC_D15與LCD的Dl?D8、DlO?D17相互連接；觸摸接口採用SPIl接口，片選為PB7-SPI1-CS3 ；由於LCD背光使用恆流源晶片PT4101控制，採用了 PWM控制信號控制背光的明暗，PWM信號由roi3-LIGHT-PWM來控制；觸摸電路的中斷申請線由PB6-7846-1NT接收。
[0011]本實用新型的有益效果是:結構合理，適用範圍廣，開發流程簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型硬體框架示意圖；
[0013]圖2為ADXL345模塊外圍電路圖；
[0014]圖3為ADXL345與STM32連接電路圖；
[0015]圖4為TFT顯示模塊與STM32連接電路圖；
[0016]圖5為RS232電平轉換電路圖；
[0017]圖6為硬體連接原理圖；
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步描述。雖然本實用新型將結合較佳實施例進行描述，但應知道，並不表示本實用新型限制在所述實施例中。相反，本實用新型將涵蓋可包含在有附後權利要求書限定的本實用新型的範圍內的替換物、改進型和等同物。
[0019]總體設計:
[0020]本控制系統的硬體設計主要是基於ST公司的STM32F103ZET6單片機，傳感器則是應用ADI公司的ADXL345型三軸數字式加速度傳感器，[4]並採用由ILI9320液晶控制以及ADS7841數模轉換晶片共同控制的3.2英寸薄膜場效應電晶體(TFT:Thin FilmTransistor)可觸摸顯示屏。並採用A1234型微型振動電機來拓展系統的碰撞感知功能。
[0021]其主要的運作過程是這樣的，ADXL345根據物體運動姿態採集提供該時刻的三軸(X-Y-Z)加速度(α X- a y- α Z)數值，並通過IIC總線將所採集到的數據發送到STM32單片機。單片機在收到來自ADL345的數據後將其進行算法處理得到物體的相對於初始狀態的三軸傾斜角(β X- β y_ β ζ)，並根據三軸傾斜角度來判斷物體該時刻的姿態。最終得以控制TFT屏幕上2D物體的運動方位狀態。同時上位機上可以同步顯示3D物體的運動行為，並對該行為過程進行監控與記錄。
[0022]單片機處理器模塊:
[0023]STM32系列32位快閃記憶體控制器是ST公司基於ARM Cortox_M3內核專門為嵌入式應用開發領域而推出的，主要為MCU向32位架構提供低成本的解決方案。受益於CortoX-M3結構的增強型功能及性能改進的代碼密度更高的Thumb-2指令集，STM32系列處理器不僅大幅提高了中斷響應速度，同時兼具業內最低的功耗，具有高集成度和易開發性的特點。
[0024]本設計所採用的STM32-V3開發板基於STM32F103VET6處理器。在存儲能力方面，它擁有128K的ROM以及高達20K的SRAM。在計算能力方面，它的最高工作頻率72MH，允許進行單周期乘法和硬體除法。在外設方面，它具有多達80個快速I/O 口，所有I/O 口均可映像到16個外部中斷；多達9個通訊接口，其中包括2個I2C接口、3個USART接口、2個SPI接口、CAN接口和USB2.0接口。本設計涉及的接口主要有JTAG調試接口，RS232接口，用於控制TFT液晶顯示屏的FSMC接口，以及由跳線柱引出的用於與三軸數字加速度傳感器相連接的通用GPIO 口。
[0025]三軸加速度傳感器模塊:
[0026]ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計，解析度高(13位)，測量範圍達±16g。數字輸出數據為16位二進位補碼格式，可通過SPI (3線或4線)或I2C數字接口訪問。
[0027]該三軸加速度傳感器由兩部分組成:重力感應單元和信號轉換電路，其中重力感應單元等效為兩個固定的電容極板中間放置一個可移動到的極板。當有加速度作用於系統時，中間極板偏離靜止位置。用中間極板偏離靜止位置。用中間極板偏離靜止位置的距離測量加速度值。距離變化與極板間電容值呈現比例關係，電容值的計算公式如下:
[0028]其中A為極板的面積，δ是極板間距離，ε是電介質常數。
[0029]ADXL345非常適合行動裝置應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或 衝擊導致的動態加速度。其高解析度(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。
[0030]該器件提供多種特殊檢測功能。活動和非活動檢測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設置的閾值來檢測有無運動發生。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。
[0031]這些功能可以獨立映射到兩個中斷輸出引腳中的一個。它獨有的集成式存儲器管理系統採用一個32級先進先出(FIFO)緩衝器，可用於存儲數據，從而將主機處理器負荷降至最低，並降低整體系統功耗。低功耗模式支持基於運動的智能電源管理，從而以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量。
[0032]本設計採用ADXL345模塊外圍電路如圖2所示:
[0033]由於V3開發板的STM32片上I2C總線接口已經被其他硬體所佔用，唯一的辦法只能採用I/o 口實現模擬I2C接口。三軸加速度傳感器模塊的SCL與STM32的PA9連接，SDA與STM32的PAlO相連接。具體的連接硬體電路如圖3所示:
[0034]TFT顯示器模塊:
[0035]2.4 寸 TFT 顯示器集成 ILI9325 控制器，採用 STM32 的 FSMC(Flexible StaticMemory Controller)功能，LCD 片選 CS 採用 FSMC_NE1 (Ρ8.8)，FSMC_A16 (Ρ5.8)作為 LCD 的RS 選擇，FSMC_nffE (P8.6)作為 LCD 的 /WE，FSMC_nOE (P8.5)作為 LCD 的 /RD，LCD 的 RESET腳用 STM32 的 PEl (Ρ9.8)，FSMC_D0…FSMC_D15 與 LCD 的 Dl...D8、D10…D17 相互連接。觸摸接口採用SPIl接口，片選為PB7-SPI1-CS3。由於LCD背光使用恆流源晶片PT4101控制，採用了 PWM控制信號控制背光的明暗，PWM信號由PD13-LIGHT-PWM來控制。觸摸電路的中斷申請線由PB6-7846-1NT接收。具體的連接電路如圖4所示:
[0036]RS232通訊模塊:
[0037]STM32V3 開發版擁有兩路 RS-232 接口，CPU 的 PA9-US1-TX (P6.8)、PA10-US1-RX(P6.9)、PA9-US2-TX (Ρ2.5)、PA10-US2-RX (Ρ2.6)通過 ΜΑΧ3232 實現兩路RS-232接口，分別連接在XS5和XS17接口上。如圖5所示。[0038]由於許多現有筆記本電腦中沒有配備RS232接口，為了解決這個問題，可以通過連接RS232-USB轉接線，將開發板上的RS232接口與上位機電腦的USB接口相連接。對於配有RS232接口的臺式工程機，大可不必如此，直接通過RS232連接線連接即可完成數據傳輸。
[0039]硬體連接方式:
[0040]首先要把STM32-V3開發板上的供電接口連接通過一根B型轉A型USB接口線連接到PC上，通過PC上的USB接口為開發版提供穩定的5V供電。然後將排線連接STM32-V3開發板上的JTAG接口與J-Link仿真器相連接，再通過一根B型轉A型USB接口線連接PC上的USB接口。接著，將串口公母轉換延長線一端連接開發板，另一端與RS232轉USB線相連接。連接方式如圖6所示:
[0041]在連接過程中最容易出錯的就是三軸加速度模塊，在連接該模塊時，可通過排線的顏色來區分，排線從模塊接出時，黃線為VCC，需要注意的是該VCC電壓值為3.3V ;綠線為GND，藍線為SDA，紫線為SCL。排線接入STM32-V3開發時候，由於轉接了一段排線延長線，排線顏色發生變化。黃線為VCC，橙線為GND，紅線為SDA，棕線為SCL。[0042]JLink仿真器設置:
[0043]在連接好Jink的硬體接口之後，還不能直接進行片上調試，需要在KeiluVision4中對其相應的選項進行正確的配置。將光標放置在工程文件夾的圖標上，點擊右鍵，選擇 Options for Target Flash…選項,在 Link 配置頁選擇 Use Cortex-M/R JLINK/J-Trace0 然後點擊 Settings,在 Flash Download 配置頁選擇 Download Function 為 EraseFull Chip,並在 Programming Algorithm 中選擇 STM32F10x High-density Flash 類型。
[0044]ADXL345不但可以採用I2C總線方式進行數據傳輸，同時還可以採用SPI總線方式。比較於I2C，SPI作為三線接口具有更高的時鐘工作頻率，並且不需要上拉電阻。由於I2C只有作為二線接口只有一條數據線，只能工作在半雙工模式下，而SPI則可以在全雙工模式下運行。除了在傳輸速率方面的優點，SPI總線無需上拉電阻，抗幹擾能力也在I2C之上。唯一美中不足就是會佔用較多的總線數量用於通訊，但對於管腳資源豐富的STM32單片機而言，這也不會是什麼太大的負擔。
【權利要求】
1.一種基於三軸加速度計的方位控制系統，其特徵在於:包括單片機和分別於單片機連接的三軸加速度傳感器、顯示屏、上位機、微型振動電機； 所述單片機為ST公司的STM32F103ZET6單片機，以下簡稱STM32 ；其CPU的PA9-US1-TX (P6.8)、PA IO-US1-RX (P6.9)、PA9-US2-TX (P2.5)、PA10-US2-RX (P2.6)通過MAX3232實現兩路RS-232接口，分別連接在XS5和XS17接口上，用於同上位機通信； 所述三軸加速度傳感器為ADI公司的ADXL345型三軸數字式加速度傳感器；三軸加速度傳感器模塊的SCL與STM32的PA9連接，SDA與STM32的PAlO相連接； 所述顯示屏為2.4寸TFT顯示器集成ILI9325控制器，IXD片選CS採用FSMC_NEl (P8.8)，FSMC_A16 (P5.8)作為 LCD 的 RS 選擇，FSMC_nffE (P8.6)作為 LCD 的 /WE，FSMC_nOE (P8.5)作為 LCD 的 /RD，LCD 的 RESET 腳用 STM32 的 PEl (P9.8)，FSMC_D0 ?FSMC_D15與LCD的Dl?D8、DlO?D17相互連接；觸摸接口採用SPIl接口，片選為PB7-SPI1-CS3 ；由於LCD背光使用恆流源晶片PT4101控制，採用了 PWM控制信號控制背光的明暗，PWM信號由roi3-LIGHT-PWM來控制；觸摸電路的中斷申請線由PB6-7846-1NT接收。
【文檔編號】G05D3/12GK203759547SQ201320761277
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年11月27日
【發明者】畢崗, 王增剛 申請人:浙江大學城市學院