基于加速度傳感器MMA7260QT的自動(dòng)搖籃的設(shè)計(jì)

引言

照顧小寶寶是非常勞累的事情，因?yàn)樗麄冃褋?lái)和睡覺(jué)都比較頻繁，加之喂食換衣服等活動(dòng)，會(huì)占用大人大量的時(shí)間和精力。搖籃的誕生在很大程度上減輕了大人的負(fù)擔(dān)，但仍有很多不盡如人意的地方。利用動(dòng)作（加速度）傳感器和功能豐富的單片機(jī)，則可以設(shè)計(jì)出一種相對(duì)智能化的搖籃。

背景
現(xiàn)在市面上的電動(dòng)搖籃僅有簡(jiǎn)單的定時(shí)功能，因此不能針對(duì)嬰兒的活動(dòng)發(fā)生動(dòng)作，若搖籃一直搖動(dòng)，對(duì)嬰兒的安撫作用就會(huì)降低。采用聲音觸發(fā)的自動(dòng)搖籃，缺點(diǎn)是嬰兒先是活動(dòng)，得不到安撫則會(huì)哭鬧，搖籃才會(huì)啟動(dòng)進(jìn)行安撫；另外如果因?yàn)閯e的原因哭鬧，搖籃則不能起到安撫作用。所以根據(jù)嬰兒的活動(dòng)來(lái)啟動(dòng)搖籃是比較妥當(dāng)?shù)目刂品绞健ｏw思卡爾的加速度傳感器性能優(yōu)秀，成本較低，適合這樣的應(yīng)用。

自動(dòng)搖籃的原理
本系統(tǒng)采用飛思卡爾MC9S08QG8單片機(jī)作為控制器，使用飛思卡爾加速度傳感器MMA7260QT判斷嬰兒的活動(dòng)情況，同時(shí)用麥克風(fēng)檢測(cè)嬰兒哭鬧的聲音作為輔助判斷，然后根據(jù)設(shè)置啟動(dòng)搖籃搖動(dòng)。人機(jī)界面由鍵盤和點(diǎn)陣液晶顯示器組成。

測(cè)量運(yùn)動(dòng)的方法
加速度傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作有很多算法，本系統(tǒng)中由于搖籃的活動(dòng)方向是二維的，而且主要是其中的一維（所以采用一維加速度傳感器也可以），運(yùn)動(dòng)情況單一，場(chǎng)合也不復(fù)雜，所以采用簡(jiǎn)單的閾值判斷的方法即可實(shí)現(xiàn)。閾值代表著靈敏度，可由用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇。

觸摸按鍵的實(shí)現(xiàn)
觸摸按鍵是近年比較流行的技術(shù)，由于MC9S08QG8單片機(jī)有很低的端口漏電流和強(qiáng)大的鍵盤中斷功能，所以不需增加其它有源器件即可實(shí)現(xiàn)。而且本系統(tǒng)使用兩個(gè)端口即可提供三個(gè)按鍵的功能。

使用PCB焊盤作為觸摸按鍵，和地之間構(gòu)成一個(gè)小電容C1（沒(méi)有手指觸摸時(shí)），按鍵通過(guò)大阻值電阻R1接地。單片機(jī)端口平時(shí)輸出高電平，檢測(cè)按鍵時(shí)則為鍵盤中斷，隨著C1上的電荷通過(guò)R1流失，電平逐漸降低直至引起鍵盤中斷，從開始檢測(cè)到引起鍵盤中斷的時(shí)間為T1，當(dāng)有手指觸摸時(shí)相當(dāng)于在C1上并了一個(gè)電容，因此電容值變成C2，則從開始檢測(cè)到引起鍵盤中斷的時(shí)間為T2，通過(guò)檢測(cè)T1、T2的差別即可判斷按鍵按下，如圖1。

假設(shè)按鍵1的電容為C1，按鍵2的電容為C2，則如果C1增加C2不變，則按鍵1按下，如果C2增加C1不變，則按鍵2按下，如果C1、C2都增加相似的數(shù)值，則可判斷為按鍵3按下。PCB上按鍵3位于按鍵1和按鍵2之間。這樣就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)端口判斷三個(gè)按鍵的功能。

PWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電機(jī)
使用脈寬調(diào)制（PWM）的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，可以給用戶選擇3檔搖動(dòng)速度，也可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停止。

液晶顯示
使用3V串口液晶顯示模塊，用單片機(jī)SPI口驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔高效的顯示界面。

系統(tǒng)概述
系統(tǒng)特性
A.使用飛思卡爾MC9S08QG8單片機(jī)作為控制器，集成度高，性價(jià)比好。
B.使用飛思卡爾MMA7260QT加速度傳感器感知?jiǎng)幼?，性能先進(jìn)，穩(wěn)定。
C.良好的人機(jī)界面包括了點(diǎn)陣液晶顯示器和簡(jiǎn)潔的菜單系統(tǒng)。
D.使用單片機(jī)端口低漏電流的特性和鍵盤中斷功能實(shí)現(xiàn)流行的觸摸按鍵技術(shù)。
E.使用單片機(jī)PWM功能實(shí)現(xiàn)搖籃速度可調(diào)，軟啟動(dòng)和軟停止。
F.可控音量的音樂(lè)播放功能。
系統(tǒng)概述
基于MMA7260QT加速度傳感器的自動(dòng)搖籃控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。
嬰兒睡著時(shí)，搖籃不動(dòng)，加速度傳感器的輸出穩(wěn)定，單片機(jī)采樣得到的數(shù)值作為零值。當(dāng)嬰兒有動(dòng)作引起搖籃晃動(dòng)，單片機(jī)采樣得到的數(shù)值發(fā)生變化，變化大于設(shè)定的閾值時(shí)，PWM引腳輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。
麥克風(fēng)作為可選的輔助判斷依據(jù)也輸入單片機(jī)。
音樂(lè)播放作為可選的輔助安撫手段。
系統(tǒng)硬件
電路框圖如圖3所示。

飛思卡爾MC9S08QG8單片機(jī)

本系統(tǒng)使用MC9S08QG8作為核心控制器，其高度集成的功能和靈活的端口控制大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成本，本系統(tǒng)主要用到了以下功能：

高速CPU和大容量的Flash和RAM存儲(chǔ)器
內(nèi)置的精確時(shí)鐘
2通道10位AD轉(zhuǎn)換器
2個(gè)鍵盤中斷輸入端口
PWM輸出功能
高速SPI接口
飛思卡爾MMA7260QT三軸加速度傳感器
系統(tǒng)使用新的MMA7260QT三軸加速度傳感器作為主要傳感器，內(nèi)部信號(hào)調(diào)理，內(nèi)置濾波，量程可選，性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)潔方便。
加速度測(cè)量部分
傳感器設(shè)置為最小的量程，輸出經(jīng)過(guò)電阻電容濾波然后進(jìn)入單片機(jī)AD輸入，如圖4。
鍵盤電路
鍵盤電路十分簡(jiǎn)單，端口到地接2M電阻即可，觸摸鍵盤的PCB設(shè)計(jì)要兼顧三鍵判斷，故采用如圖5設(shè)計(jì)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)
單片機(jī)輸出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

麥克風(fēng)輸入
麥克風(fēng)輸入經(jīng)放大后通過(guò)二極管整流到電容上，此電壓進(jìn)入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換器。

音樂(lè)播放
音樂(lè)源使用專用音樂(lè)IC，功率放大器使用國(guó)家半導(dǎo)體的LM4874芯片，具有4級(jí)電子音量調(diào)節(jié)功能，本系統(tǒng)只需單聲道即可。

液晶顯示
采用3.3V串行液晶顯示模塊，128X64點(diǎn)陣，單片機(jī)通過(guò)SPI端口直接相連。
外圍其他電路
電源經(jīng)220V轉(zhuǎn)為5V然后經(jīng)LM1117-3.3穩(wěn)壓成3.3V輸出給系統(tǒng)電路使用，5V電壓還用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件完成以下功能：

根據(jù)設(shè)置參數(shù)定期檢測(cè)搖籃狀態(tài)。
定期對(duì)鍵盤中斷引腳檢測(cè)充放電時(shí)間。
驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示相關(guān)參數(shù)、菜單。
根據(jù)參數(shù)驅(qū)動(dòng)搖籃播放音樂(lè)。
檢測(cè)搖籃狀態(tài)
以10Hz的頻率檢測(cè)加速度傳感器，定時(shí)器中斷程序啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，主程序中檢測(cè)到AD轉(zhuǎn)換完成則把結(jié)果保存起來(lái)，通過(guò)和零值比較，如果大于閾值，則認(rèn)為嬰兒活動(dòng)，根據(jù)設(shè)置參數(shù)啟動(dòng)電機(jī)、音樂(lè)。
鍵盤檢測(cè)
以20Hz的頻率掃描鍵盤，定時(shí)器中斷程序把相應(yīng)引腳置為輸入，允許鍵盤中斷。引腳放電引起鍵盤中斷，保存中斷時(shí)的定時(shí)器數(shù)值，然后退出。主程序等兩個(gè)按鍵引腳都掃描完畢保存了放電時(shí)間后，調(diào)用鍵盤處理程序分析，得到按鍵結(jié)果。
液晶顯示器驅(qū)動(dòng)
液晶顯示器使用SPI口送數(shù)據(jù)，根據(jù)按鍵結(jié)果相應(yīng)調(diào)整液晶顯示的內(nèi)容。
搖籃驅(qū)動(dòng)和音樂(lè)播放
驅(qū)動(dòng)搖籃時(shí)，根據(jù)設(shè)置參數(shù)啟動(dòng)PWM輸出，同時(shí)記錄時(shí)間，到參數(shù)規(guī)定的時(shí)間后緩慢停止搖籃（減少PWM占空比）。
功放音量根據(jù)參數(shù)設(shè)置，觸發(fā)音樂(lè)IC播放音樂(lè)。
其他輔助程序
根據(jù)軟件需要，設(shè)置定時(shí)器中斷和變量time_to_1s，當(dāng)變量中數(shù)值達(dá)到1S后重置變量。
程序結(jié)構(gòu)
主程序流程如圖6

主要子程序：
void MCU_init(void) 單片機(jī)初始化
void lcd_init(void)點(diǎn)陣液晶顯示初始化，顯示待機(jī)畫面。
void lcd_menu(unsigned char)菜單顯示子程序
void acc_t(void)加速度檢測(cè)子程序
unsigned char key_calc(void)鍵盤處理子程序，返回鍵盤值。
全局變量key_start_time保存放電開始時(shí)間key_a、key_b保存兩個(gè)按鍵放電時(shí)間。
Prog_state保存程序運(yùn)行狀態(tài)。Sys_set保存系統(tǒng)設(shè)置。
菜單可調(diào)節(jié)參數(shù)：
搖籃狀態(tài)：自動(dòng)，手動(dòng)開，手動(dòng)關(guān)。
搖動(dòng)時(shí)間：1，3，5，10，30，60，120分鐘。
搖動(dòng)速度：快速，中速，慢速，關(guān)閉。
寶寶動(dòng)作靈敏度：高，中，低。
聲音靈敏度：高，低。
音樂(lè)音量：高，中，低，關(guān)閉。