基于加速度傳感器MMA7260QT的自動(dòng)搖籃設計

　　引言

　　照顧小寶寶是非常勞累的事情，因為他們醒來(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擔，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，則可以設計出一種相對智能化的搖籃。

　　背景

　　現在市面上的電動(dòng)搖籃僅有簡(jiǎn)單的定時(shí)功能，因此不能針對嬰兒的活動(dòng)發(fā)生動(dòng)作，若搖籃一直搖動(dòng)，對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；另外如果因為別的原因哭鬧，搖籃則不能起到安撫作用。所以根據嬰兒的活動(dòng)來(lái)啟動(dòng)搖籃是比較妥當的控制方式。飛思卡爾的加速度傳感器性能優(yōu)秀，成本較低，適合這樣的應用。

　　自動(dòng)搖籃的原理

　　本系統采用飛思卡爾MC9S08QG8單片機作為控制器，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)檢測嬰兒哭鬧的聲音作為輔助判斷，然后根據設置啟動(dòng)搖籃搖動(dòng)。人機界面由鍵盤(pán)和點(diǎn)陣液晶顯示器組成。

　　測量運動(dòng)的方法

　　加速度傳感器測量運動(dòng)和動(dòng)作有很多算法，本系統中由于搖籃的活動(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），運動(dòng)情況單一，場(chǎng)合也不復雜，所以采用簡(jiǎn)單的閾值判斷的方法即可實(shí)現。閾值代表著(zhù)靈敏度，可由用戶(hù)根據實(shí)際情況選擇。

　　觸摸按鍵的實(shí)現

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

　　使用PCB焊盤(pán)作為觸摸按鍵，和地之間構成一個(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。單片機端口平時(shí)輸出高電平，檢測按鍵時(shí)則為鍵盤(pán)中斷，隨著(zhù)C1上的電荷通過(guò)R1流失，電平逐漸降低直至引起鍵盤(pán)中斷，從開(kāi)始檢測到引起鍵盤(pán)中斷的時(shí)間為T(mén)1，當有手指觸摸時(shí)相當于在C1上并了一個(gè)電容，因此電容值變成C2，則從開(kāi)始檢測到引起鍵盤(pán)中斷的時(shí)間為T(mén)2，通過(guò)檢測T1、T2的差別即可判斷按鍵按下，如圖1。

　　假設按鍵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)現了兩個(gè)端口判斷三個(gè)按鍵的功能。

　　PWM脈寬調制驅動(dòng)電機

　　使用脈寬調制（PWM）的方式驅動(dòng)電機來(lái)實(shí)現調速，可以給用戶(hù)選擇3檔搖動(dòng)速度，也可以實(shí)現軟啟動(dòng)和軟停止。

　　液晶顯示

　　使用3V串口液晶顯示模塊，用單片機SPI口驅動(dòng)，實(shí)現簡(jiǎn)潔高效的顯示界面。

　　系統特性

　　A.使用飛思卡爾MC9S08QG8單片機作為控制器，集成度高，性?xún)r(jià)比好。

　　B.使用飛思卡爾MMA7260QT加速度傳感器感知動(dòng)作，性能先進(jìn)，穩定。

　　C.良好的人機界面包括了點(diǎn)陣液晶顯示器和簡(jiǎn)潔的菜單系統。

　　D.使用單片機端口低漏電流的特性和鍵盤(pán)中斷功能實(shí)現流行的觸摸按鍵技術(shù)。

　　E.使用單片機PWM功能實(shí)現搖籃速度可調，軟啟動(dòng)和軟停止。

　　F.可控音量的音樂(lè )播放功能。

　　系統概述

　　基于MMA7260QT加速度傳感器的自動(dòng)搖籃控制系統結構如圖2。

　　嬰兒睡著(zhù)時(shí)，搖籃不動(dòng)，加速度傳感器的輸出穩定，單片機采樣得到的數值作為零值。當嬰兒有動(dòng)作引起搖籃晃動(dòng)，單片機采樣得到的數值發(fā)生變化，變化大于設定的閾值時(shí)，PWM引腳輸出驅動(dòng)電機動(dòng)作。

　　麥克風(fēng)作為可選的輔助判斷依據也輸入單片機。

　　音樂(lè )播放作為可選的輔助安撫手段。

　　系統硬件

　　電路框圖如圖3所示。

　　飛思卡爾MC9S08QG8單片機

　　本系統使用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)化了系統設計和成本，本系統主要用到了以下功能：

　　高速CPU和大容量的Flash和RAM存儲器

　　內置的精確時(shí)鐘

　　2通道10位AD轉換器

　　2個(gè)鍵盤(pán)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

　　系統使用新的MMA7260QT三軸加速度傳感器作為主要傳感器，內部信號調理，內置濾波，量程可選，性能穩定可靠，設計起來(lái)相當簡(jiǎn)潔方便。

　　加速度測量部分

　　傳感器設置為最小的量程，輸出經(jīng)過(guò)電阻電容濾波然后進(jìn)入單片機AD輸入，如圖4。

　　鍵盤(pán)電路

　　鍵盤(pán)電路十分簡(jiǎn)單，端口到地接2M電阻即可，觸摸鍵盤(pán)的PCB設計要兼顧三鍵判斷，故采用如圖5設計。

　　電機驅動(dòng)

　　單片機輸出PWM脈寬調制信號，然后通過(guò)驅動(dòng)電路驅動(dòng)電機。

　　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AD轉換器。

　　音樂(lè )播放

　　音樂(lè )源使用專(zhuān)用音樂(lè )IC，功率放大器使用國家半導體的LM4874芯片，具有4級電子音量調節功能，本系統只需單聲道即可。

　　液晶顯示

　　采用3.3V串行液晶顯示模塊，128X64點(diǎn)陣，單片機通過(guò)SPI端口直接相連。

　　外圍其他電路

　　電源經(jīng)220V轉為5V然后經(jīng)LM1117-3.3穩壓成3.3V輸出給系統電路使用，5V電壓還用來(lái)驅動(dòng)電機。

　　系統軟件

　　系統軟件完成以下功能：

　　根據設置參數定期檢測搖籃狀態(tài)。

　　定期對鍵盤(pán)中斷引腳檢測充放電時(shí)間。

　　驅動(dòng)液晶顯示器顯示相關(guān)參數、菜單。

　　根據參數驅動(dòng)搖籃播放音樂(lè )。

　　檢測搖籃狀態(tài)

　　以10Hz的頻率檢測加速度傳感器，定時(shí)器中斷程序啟動(dòng)AD轉換器，主程序中檢測到AD轉換完成則把結果保存起來(lái)，通過(guò)和零值比較，如果大于閾值，則認為嬰兒活動(dòng)，根據設置參數啟動(dòng)電機、音樂(lè )。

　　鍵盤(pán)檢測

　　以20Hz的頻率掃描鍵盤(pán)，定時(shí)器中斷程序把相應引腳置為輸入，允許鍵盤(pán)中斷。引腳放電引起鍵盤(pán)中斷，保存中斷時(shí)的定　　時(shí)器數值，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，調用鍵盤(pán)處理程序分析，得到按鍵結果。

　　液晶顯示器驅動(dòng)

　　液晶顯示器使用SPI口送數據，根據按鍵結果相應調整液晶顯示的內容。

　　搖籃驅動(dòng)和音樂(lè )播放

　　驅動(dòng)搖籃時(shí)，根據設置參數啟動(dòng)PWM輸出，同時(shí)記錄時(shí)間，到參數規定的時(shí)間后緩慢停止搖籃（減少PWM占空比）。

　　功放音量根據參數設置，觸發(fā)音樂(lè )IC播放音樂(lè )。

　　其他輔助程序

　　根據軟件需要，設置定時(shí)器中斷和變量time_to_1s，當變量中數值達到1S后重置變量。

　　程序結構

　　主程序流程如圖6