（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）基于加速度計的電子防排裝置研究.pdf

碩士論文 基于加速度計的電子防排裝置研究 ab s t r a c t d e s t r o y i nga n d b i o c kad i n g a i rp ort runw a y i s o neo f th e m a i n w a y s t o b l ockade a i rp o rt u s i ng幼 r fi e ld b io c k a g e m u n i t io n s i s o n e o f t h e m o s t e ffec t i v e w a y s top re v e nt th ee n e m yfromus i n gth ea i rp o rt theant i一m o v a l dev i ce o f ai rfie l db lock age mun i t i o n s c ank e e p e n e m y sm i n e swe e p i n gac t i o n s w i th i n l i m i ts and p ro l ong th e b l o c k a g e t i m e and i 帥rove th e b l ock age e ffi c ienc y a cc o r d i飛asth e a naly s e s tom o vem e n t c h arac te ri s t i c s and ac c e ie r at i onc h ang ing rule sd urin gm ine swe 印i n g th eo l e c 打 o n i canti 一 re m o v a lpr i n c ip ium b a s e do n d o uble 一 a x i s acce ler atio n s e n s o r i s p utfo 偉刁 r d e d i n th i s p a per s o me e x peri m e n tsare de s i edtop ro vethe p ri nci p i u m 1 七 e re sult s i l l u m i n a teth atthe p n i1 c ip i u mc an il1 1 p r o v e th e b l o c k a g e e ffic i e ncy e ffec t i v e ly k e 尹o rds acc e l e 以i o n s ens or e l ecl r o n i c a n t i 一 r e m o v aldev i c e 聲明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果 盡我所知 在本 學(xué)位論文中 除了 加以 標(biāo)注和致謝的部分外 不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或 公布過的 研究成果 也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使 用過的 材料 與我一同 工作的同 事對本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均己 在論文 中作了明確的說明 研 究 生 豁 鄧絲 滬 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔 可以 借閱或 上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容 可以向 有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并 授權(quán)其保存 借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容 對于保密 論文 按保密的 有關(guān)規(guī)定和程序處理 研 究 生 豁 燕 坪 戶粉 巾 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 緒論 現(xiàn)代戰(zhàn)爭及未來戰(zhàn)爭 特別是高技術(shù)條件下的 局部戰(zhàn)爭 奪取制空權(quán)是掌握 戰(zhàn)場主 動權(quán)并贏得戰(zhàn)爭勝利的重要保障 在奪取戰(zhàn)場制空 權(quán)的斗爭中 破壞和封 鎖敵方機(jī)場 可有效制約敵機(jī)動性 破壞和封鎖敵方機(jī)場最主要的是破壞和封鎖機(jī)場的跑道 使其在短時間內(nèi)無 法使用從而降低敵戰(zhàn)場機(jī)動能力 利用地雷來封鎖機(jī)場 封鎖雷 就是最有效的 手段之一 敵為了 解除封鎖必會全力進(jìn)行排雷 因此 封鎖雷有必要具有反排能 力 有效遏制敵人的排雷行動 延長對敵人的封鎖 防排通常是指防止敵人順利排除地雷 防排機(jī)構(gòu)作用方式通常采用拆爆 觸 爆等方式 拆爆是防止敵人打開地雷內(nèi)部研究結(jié)構(gòu)而采取的 必要的手段 觸爆是 敵人將地雷搬移原有位置而采取的對觸動敏感的一種方式 常用的防排機(jī)構(gòu)有鋼珠敏感機(jī)構(gòu)和水銀開關(guān)防排機(jī)構(gòu) 鋼珠敏感機(jī)構(gòu)見圖1 1 當(dāng)有觸動達(dá)到邊界條件的時候鋼球作為導(dǎo)體接通電 路 通過累計計數(shù)的方式可以感知被觸動 但這種機(jī)構(gòu)很容易誤判 如當(dāng)?shù)孛娴?震動達(dá)到一定強(qiáng)度或意外沖擊存在的時候 會導(dǎo)致敏感機(jī)構(gòu)誤判而觸發(fā)雷體引 爆 這種特性一旦被敵人掌握 防排也就變成敵人排雷的工具了 圖 1 1鋼珠敏感機(jī)構(gòu) 水銀柱防排機(jī)構(gòu)見圖1 2 當(dāng)?shù)乩子袃A斜的時候 水銀柱會滑動 通過導(dǎo)體 通電來傳遞信號 但這種機(jī)構(gòu)同樣存在類似以上的誤判問題 當(dāng)水銀柱受到輕微 碩士論文荃于 加速度計的電子防 排裝置 研究 沖擊時 很容易觸發(fā)雷體 金屬 電極 水銀 接單片機(jī) i p 口 圖1 2水銀柱防排機(jī)構(gòu)原理 因此 尋找一種性能可靠 穩(wěn)定的防排機(jī)構(gòu)具有很大的軍事意義 這種防排 系統(tǒng)要求安全可靠 讓敵人難以 捉摸 重要的是無有效排除的手段和方法 從而 在心理上給敵人產(chǎn)生震懾 目 前 隨著傳感器技術(shù)的 成熟 目 標(biāo)識別探測技術(shù)也日 趨完善 利用加速度 傳感器 從目 標(biāo)特性分析著手 通過測試被移物體加速度的變化來識別物體的自 身狀態(tài) 可以達(dá)到較高的分辨率 有效防止機(jī)構(gòu)誤判 達(dá)到防排的目 的 本文主要是針對以上兩種結(jié)構(gòu)的缺陷而研究地雷中的智能型電 子防排裝置 電子防排裝置的核心是電子防排系統(tǒng) 它是探測系統(tǒng)里的一部分 與其他探測系 統(tǒng)相互配合 由中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制 實現(xiàn)雷彈的探測起爆功能 對電 子防排裝置而言 應(yīng)對敵方各種排雷掃雷信息 拆卸 搬運(yùn) 挖掘 推 動等 進(jìn)行辨識 獲取有用信號 并可有效識別雨滴 槍擊等干擾信號 從總體 上說 電子防排裝置應(yīng)主要由以下幾個系統(tǒng)組成 信號采集系統(tǒng) 信號處理及判 別系統(tǒng)和雷彈起爆系統(tǒng) 根據(jù)排雷的幾種假設(shè)方式 拆卸 搬運(yùn) 挖掘等 設(shè)計 相應(yīng)的系統(tǒng) 當(dāng)雷彈的運(yùn)動狀態(tài)改變時 彈體的加速度變化 防排裝置啟動 信 號采集系統(tǒng)開始采集加速度信號 當(dāng)信號采集系統(tǒng)通過內(nèi)置相互垂直交叉的加速 度傳感器采集到信號后 傳送到信號處理系統(tǒng)內(nèi) 經(jīng)系統(tǒng)的濾波 放大 刃d 轉(zhuǎn) 化等處理后 再傳送到信號判別系統(tǒng)中 經(jīng)過相關(guān)算法 根據(jù)假設(shè)的幾種排雷時 加速度的變化特性而設(shè)計 處理得出相應(yīng)的判別結(jié)果 根據(jù)結(jié)果決定是否傳送 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 給雷彈起爆系統(tǒng)相應(yīng)的信號觸發(fā)引信而起爆 下圖1 3 為系統(tǒng)流程圖 圖1 3系統(tǒng)流程圖 在以上系統(tǒng)中 較難實現(xiàn)的是如何實現(xiàn)目 標(biāo)信號的采集和判別 這也是該機(jī) 構(gòu)的核心之所在 本課題采用一種數(shù)字式的電容加速度傳感器集成電路來實現(xiàn)加 速度信號的采集 采用外接的單片機(jī)電路來實現(xiàn)判別 之所以 采用此種安排是出 于經(jīng)濟(jì)性成本的考慮 采用集成式的單片機(jī)電路可有效降低成本 取得良 好的性 價比 但最重要的是可以 滿足識別彈體運(yùn)動狀態(tài)時系統(tǒng)的要求 本文主要有以下內(nèi)容 1 目 標(biāo)特性的分析 主要根據(jù)彈體的加速度改變時的特征變化來分析此 時彈體的運(yùn)動狀態(tài) 2 目 標(biāo)特性的識別方案 主要從原理上闡述識別彈體運(yùn)動狀態(tài)的方法 3 目 標(biāo)識別的實現(xiàn) 主要包括三方面內(nèi)容 一方面是加速度信號的采集 另一方面是加速度信號的處理 三是采用比較可靠的方法進(jìn)行加速度特征的識 別 4 試驗驗證 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 具體使用加速度計的原則是能夠把任意一個方向的加速度分解成兩個垂直 方向的分加速度 如圖2 2所示 x o一平面為與地面平行的平面 x 軸與y 軸分 圖2 2加速度分解圖 別安放單軸加速度計 且單 軸加速度計的 測試方向 要與x 軸和y 軸保持一致 當(dāng) 雷彈在x o一平面內(nèi) 運(yùn)動時 無論加速度a 在哪個方向上產(chǎn)生 都可以 分解成x 軸 y 軸 上的 兩 個分加 速度ax 與 且a 的 大 小 滿足式 2 1 ia l 司不可 2 1 在考慮運(yùn)用加速度計防排機(jī)構(gòu)的情況下 只考慮水平面內(nèi)的外力 對于與 重力方向同向或者反向的力因與設(shè)計理念關(guān)系不大 暫不考慮 2 3防排對象運(yùn)動特征分析 本文只考慮兩種典型情況下彈體的加速度變化規(guī)律 兩種典型情況為 人 為搬動和車輛推動 2 3 1人為搬動 要分析人為搬動時彈體的運(yùn)動狀態(tài) 首先應(yīng)分析人為搬動彈體時人體的運(yùn) 動狀態(tài) 步行運(yùn)動是最常見的人體運(yùn)動 人從站立靜止?fàn)顟B(tài)向前邁第一步開始 加 速度就產(chǎn)生了 如果是規(guī)則運(yùn)動的 話 運(yùn)動規(guī)律比 較明了 設(shè)人走路的每個周期 分成四個時間段t 幾 八 心 四個時段 設(shè)人走路時先出左腳 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 圖2 3人走路時序圖 tl 從左腳伸出開始 至左腳即將落地瞬間 右腳準(zhǔn)備離地 勺 從左腳落地右腳離地瞬間開始 至右腳剛好到達(dá)穿過身體重心與地面垂 直的直線位置 朽 從右腳伸出開始 至右腳即將落地瞬間 左腳準(zhǔn)備離地 八 從右腳落地左腳離地瞬間開始 至左腳剛好到達(dá)穿過身體重心與地面垂 直的直線位置 設(shè) 前 進(jìn)方向 位 正 方向 t 一 t 時 間 段內(nèi) 人由 靜 止 開 始 運(yùn) 動 左 腳 先出 水 平方向上外界給身體的力是由腳底與地面的靜摩擦力提供的 受力方向交替變 化 因此 人體步行時的加速度呈周期性的正負(fù)交替變化 一個運(yùn)動周期結(jié)束后 下一個運(yùn)動周期的開始時刻將在一定的速度基礎(chǔ)上開始 設(shè)人步行時 每走一步定義為某只腳從蹬地開始至落地前一瞬間結(jié)束為一 步 則這一步經(jīng)歷的時間卜tz十 6 根據(jù)資料顯示 人行走的頻率一般在1 10步 分鐘 l s h z 跑步時的頻率不會超過s hz 如果一百米沖刺的 速度跑的話一步 大概0 25 如果慢走的 話一步大概1 5 實際 測量正常步 速走路 t 值為0 5 75 人 正 常 步 行 的 加 速 度 不 超 過 士 19 川 如果 人是 跑動的話 那么 靜摩 擦力函 數(shù) f 會 有一 些變 化 可能 在每 一小 段時 間內(nèi) 比如t z 沒有到達(dá)最后時間時會突然減小到零 因為人跑動的時候有一小 段騰空的時間 但加速度的正負(fù)變化規(guī)律是不變的 為了討論步行運(yùn)動的力學(xué)機(jī)理 下面對其力學(xué)特征作出簡明的解釋 如圖 碩士論文 塞于加速度計的電子防排裝置研究 2 4 所示 隊 凡 奉 h 的 戶 xx 圖2 4 人體步行簡化模型 以 長 度可 伸 縮的 輕 質(zhì)桿口 口 表 示 人體 腿 部 一 端q與表 示 人 體 軀 干的 剛 體 b 相 鉸 接 用 此 模 型 模 擬人 體 在步 行中 雙 足交 替 不離 地 的 運(yùn)動 h 為q到 地 面 的 垂 直 距 離 h ic os g a 為b 質(zhì) 心 到q的 距 離 氣 稱 分 別 為 質(zhì) 心 的 水 平 和 垂 直 速 度 rx 凡為 地 面 的 約 束 力 以 q點 的 最 低高 度h 為 特征 長 度 定 義以 下 無 量 綱 變 量 l 一 是 一 奇 幾 一 上 乙 一 幾 t 乙 2 虧 叭 二匕 從 及無量綱參數(shù) 氣 根據(jù)質(zhì)心動量定理和相對于0點的動量矩定理 f 一 二 n 玉 州9功9 22 可列出系統(tǒng)的動力學(xué)方程 元 萬 夕 c o s 夕 石 tan口 h 幾 尸 n 一1 熟 k a 一 林 tan o tans 2 3 vy幾氣 碩士論文 基于加速度計的電子防排裝置研究 假設(shè) 人 體 控 制步 行 時 質(zhì) 心 保 持同 一高 度 則 有萬 1 對 上 述 方 程 組 求 解 可 得 幾 氏 十 r ta n 0 2 虧 0 n 1 24 式中 r 1 a r 這 樣 人 體 質(zhì) 心的 水 平 速 度元 和 的 函 數(shù)關(guān) 系 如圖2 5 所 示 此圖 說明 如 果步行時維持質(zhì)心高度不變 步行大致接近勻速運(yùn)動 由式 2 3 可以看出 當(dāng)水平約束恒定不變時 水平加速度的絕對值不變 在左右支撐腿交替時刻 0 二 士 氏 0 達(dá) 最 大 值 質(zhì) 心 水 平 加 速 度方向 發(fā)生 突 變 若 腳 底與 地 面間 的 靜 摩 擦系數(shù)一定 則人體質(zhì)心的水平加速度如圖2 6 所示 此外 還需說明的是 當(dāng)出現(xiàn)跑步即人體騰空現(xiàn)象時 法向約束力為零 法 向加速度為重力加速度 法向 速度不為零 一 一 二 且 一 一 一 聲尸 60 2 氏 1 氏 0 o婦 司刀口刀目 圖2 5 水 平 速 度又 與0 的 關(guān) 系 于 于一 摩擦系數(shù)一定時人體質(zhì)心的水平加速度特征 碩士論文 基于加速度計的電子防排裝置研究 假設(shè)人搬動雷體時 雷彈與人體固連 雷彈與人體同視為剛體 則雷彈的 加速度特征與人體質(zhì)心的加速度特征相同 由于加速度計在采集數(shù)據(jù)的過程中會有響應(yīng)延遲 因此 所采集到的 加速 度特征曲 線不能完全與圖2 6 中所示曲 線相同 彈體的 加速度特征曲 線應(yīng)如圖2 7 所示 圖2 7 人步行加速度變化圖 綜上所述 當(dāng)人為搬運(yùn)雷彈的時候 對雷彈會產(chǎn)生加速度變化 加速度的 變化規(guī)律是正向反向的加速度交替的變化 而且加速度a 的值不會很大 一般在 2 9 以 下 12 1 2 3 2車輛推動 封鎖雷彈被車輛推動的情況分為四種 被安裝有推鏟的車輛推動 被車輛 上的套索套住滑動 裝在車上運(yùn)輸以及被排雷機(jī)器人移開 前兩種同視為車輛推 動 雷彈被車輛推動過程的特點是 當(dāng)雷彈被推鏟推動或被套索拖動的時候 在很短的時間內(nèi) 雷彈的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生有限的變化 速度和加速度有突變 在碰 撞面上造成極高的壓力 是一個隨時間劇烈變化的動態(tài)過程 根據(jù)彈體與車輛碰撞現(xiàn)象的特點以及計算的需要 做以下五點簡化 1 計算車輛推動的過程分為兩個階段 碰撞階段和推動碰撞 2 在彈體與車輛碰撞過程中 由于彈體所收到的沖擊力非常大 空氣阻 力和摩擦力相對較小 因此 計算碰撞階段彈體的加速度特征時只考慮沖擊力的 碩士論文荃于 加速度計的電子 防排裝置研究 作用 3 由于彈體與車輛的碰撞過程歷時很短 彈體在碰撞開始和碰撞結(jié)束時 的位置基本上沒有改變 因此 計算碰撞階段彈體的加速度特征時忽略子彈的位 移 4 車輛和雷彈均做簡化處理 假設(shè)二者材料性能相同 碰撞過程視為正 碰撞 5 碰撞過程中 根據(jù)力的相互作用原理 車輛受到的反作用力與彈體因 碰撞產(chǎn)生的彈性力相等 根據(jù)相對運(yùn)動原理 雷彈受車輛碰撞的過程可看成雷彈 撞擊車輛的過程 設(shè)推動的方向為正方向 水平方向上外界對雷彈產(chǎn)生的力為機(jī)動車輛的推 力或者牽引力和地面給雷彈的摩擦力 對于雷彈來說首先會產(chǎn)生一個比 較大的正 向 沖擊加速度 繼而加速度減小 在tr 時刻達(dá)到與車輛相同的 速度 加速度減為 零 彈體受車輛水平推動和彈體撞擊車輛時的受力情況如圖2 8 2 夕所示 y 卒 乓x 圖2 8彈體水平碰撞受力圖 互 竺址丫瓜 圖2 鄉(xiāng)彈體水平碰撞受力圖 碩士論文基于 加速度計的電 子防排裝置 研究 在碰撞過程中 彈體的運(yùn)動微分方程為 刀 淫 父 十 七二 00 三 t 三 丁 2 5 其中 用 彈體質(zhì)量 x 彈體在x 軸方向的位移 k 車輛 鋼 的彈 性系數(shù) 可通過實驗測定 r 一 一 碰撞持續(xù)時間 解 此 微分 方 程并 考 慮 初 始 條 件 當(dāng)t 時 x 0 全 二 vo vo 為 碰 撞 前 彈 體 質(zhì)心相對車輛的速度 可以求得碰撞過程中彈體的位移為 一 授 一 授 2 一 6 對式 2 6 求二次導(dǎo)數(shù)即得彈體在與車輛碰撞過程中的沖擊加速度為 一 福 51 湯 2 一 7 式 2 7 所以 中的負(fù)號說明加速度的方向與彈體相對車輛的速度相反 碰撞過程中的最大沖擊力為 fmax ma vo 廿 蕊 2 8 碰撞持續(xù)時間為 一 招 2 9 由計算結(jié)果可以看出 碰撞過程中彈體受到的最大沖擊力與彈體相對車輛的 速度呈線性關(guān)系 由 于 碰 撞 過 程持 續(xù)時 間 很 短 彈 體 在 很短 的 時 間內(nèi) 速 度達(dá) 到 車 速vo 并同 車一起做勻速運(yùn)動 加速度衰減為零 整個過程的加速度特征曲線如圖2 10 所 示 a u l o 一d y na仿真結(jié)果如圖2 12所示 對于雷彈被敵方搬運(yùn)到車上運(yùn)走或者被排雷機(jī)器人的機(jī)械搬運(yùn)的情況來 說 如果雷彈與車輛沒有相對運(yùn)動 則彈體可被視為與車輛構(gòu)成一體 車輛的運(yùn) 動特征與雷彈的相同 雷彈被排雷機(jī)器人抓起后 其運(yùn)動特征也與排雷機(jī)器人的 運(yùn)動相同 由于加速度傳感器在受到?jīng)_擊后會有震蕩的工作特性 所采集的加速 度特征如圖2 11所示 一般情況是車輛或者機(jī)器人獲得雷彈后 需要重新加速 這樣就有了啟動 碩士論文基于 加速度計的電子防排裝置研究 加速度 啟動加速度的 特征也比 較明 顯 其示意圖 與車推動的 情況 基本相同 只 不過是行 值會大一些 圖2 1 0車輛推動時彈體的加速度特征曲線 11口j 刊司 圖2 11車輛推動時傳感器的加速度輸出特征曲 線 嘗 8 0 o0 0 00 1 20 2 40 j 6 的 叻 而 t m 它 帕 圖2 12 車輛推動時彈體的加速度特征曲線 綜上所述 無論是車輛推動還是車輛或機(jī)器人搬運(yùn) 彈體的加速度特征有 碩士論文荃于加速度計的電子防排裝置研究 部分相似點 即在短時間內(nèi)彈體受到較大的沖擊力 其加速度的沖擊響應(yīng)較為明 顯 達(dá)到峰值后 加速度不斷衰減直至為零 2 4本章小 結(jié) 本章通過對敵排雷機(jī)理的分析 得出相應(yīng)情況下彈體的加速度變化特征 只要根據(jù)加速度變化的特征制定出識別方案 就能得出彈體相應(yīng)的運(yùn)動狀態(tài) 即 可知道是哪種情況的排雷情況 碩士論文基于加速度計的電 子防排裝置研究 3目 標(biāo)識別方案設(shè)計 3 1識別方案分析 電子反排裝置的設(shè)計理論是建立在對目 標(biāo)特性識別基礎(chǔ)上的 因此 對目 標(biāo)特性識別總體方案的要求有以下幾點 1 可行性 該裝置必須在實際中可行 能夠在器件上得以實現(xiàn) 2 可靠性 該裝置必須保證一定的識別精度 如果不能保證一定的識別 精度 就談不上對目標(biāo)的識別 也就不能滿足封鎖雷彈在戰(zhàn)場上的需要 3 低成本 本裝置的設(shè)計要求之一就是要在滿足對目 標(biāo)的有效識別的基 礎(chǔ)上盡可能的降低設(shè)計成本 增加本裝置在實際應(yīng)用中的可行性 滿足大批量生 產(chǎn)的要求 根據(jù)目 標(biāo) 彈體 運(yùn)動時的加速度特征 我們提出對目 標(biāo)識別的方案有以 下三種 根據(jù)目 標(biāo)加速度的大小范圍來識別 根據(jù)目 標(biāo)加速度的頻譜特征來 識別 根據(jù)目 標(biāo)加速度大小變化趨勢來識別 1 如果根據(jù)目 標(biāo)加速度的大小變化區(qū)間來識別 那就需將不同運(yùn)動狀態(tài) 下的 加速 度大小 值劃分為 幾個不同 的 區(qū)間 如 人正常走動時的 加 速度為 29 等 這種識別方案的優(yōu)點在于 識別機(jī)理簡單 在器件上也容易實現(xiàn) 只要通過 加速度傳感器測量目 標(biāo)的加速度 然后比較一下加速度落在哪個加速度區(qū)間內(nèi) 就可以得到相應(yīng)的目 標(biāo)運(yùn)動狀態(tài) 但這種目 標(biāo)識別方案的不足之處在于 精度低 很容易進(jìn)行誤判 這主要是基于某些運(yùn)動狀態(tài)的加速度區(qū)間跨度太大 兩個或多 個區(qū)間容易相混疊 因此無盤發(fā)生的可能性很大 這種識別方案的特點在于易實 現(xiàn) 但精度低 2 如果根據(jù)目 標(biāo)加速度的頻譜特征來識別 那就需要用特殊的元器件記 錄目 標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)變化時加速度的頻譜特征 然后送入到單片機(jī)或計算機(jī)中進(jìn)行分 析處理 這種識別方案的優(yōu)點在于 由于大多數(shù)運(yùn)動狀態(tài)下的頻譜特征不盡相同 因此可以 得到非常高的識別精度 但這種識別方案的不足之處在于 需要容量很 大的寄存器來存儲采集到的信號以 及分析各種運(yùn)動狀態(tài)下加速度頻譜特性的程 序 而且需要計算速度很快的中央處理器來處理信號 以保證下一次采樣信號不 被沖掉 而且 在很多情況下采集的信號的頻譜并不很完整 例如偏心碰撞情況 下或車輛推動情況下 加速度變化的時間很短 所采集到的加速度信號頻譜特征 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 很可能不是很明顯 造成識別系統(tǒng)無法識別或誤判 需要進(jìn)一步說明的是這種識 別方案由于高精度的識別特點所需要的電子器件很多 很復(fù)雜 所占用的空間大 因此 此種方案與低成本設(shè)計要求不符 也不符合雷彈盡可能少的占 用雷體內(nèi)的 空間的 盡可能大的擴(kuò)大載藥量的設(shè)計準(zhǔn)則 這種識別方案的特點在于精度高 但成本也高 3 如果根據(jù)目 標(biāo)加速度大小變化趨勢來識別 那就需要記錄加速度變化 時的幾個特征 如加速度峰值的變化和符號的變化 這種識別方案的優(yōu)點在于 可以通過幾個簡單的加速度特性來達(dá)到實現(xiàn)識別目 標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài) 在器件上較易 實現(xiàn) 而且可以達(dá)到一定的精度 但不足之處在于 很容易受到各種干擾 例如 雨點的撞擊和地面的振動 而且 精度比不上第二種識別方案 這種識別方案的 特點在于易于實現(xiàn)而且可以保證一定的精度 綜上 根據(jù)電子反排裝置低成本 一定精度的設(shè)計要求 結(jié)合雷彈的小體 積 大載彈量的設(shè)計準(zhǔn)則 我們選擇第三種識別方案作為本電子反排裝置的總體 識別方案 根據(jù)這種設(shè)計方案 我們需要若干個加速度傳感器來采集彈體的加速 度信號 然后利用 a 刃 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 并將數(shù)據(jù)存入若干 個寄存器內(nèi) 最后用數(shù)個單片機(jī)來處理和分析數(shù)據(jù) 在設(shè)計時 彈體在所有的情況均視為理想情況下的剛體運(yùn)動 3 2識別方案 通過對各種運(yùn)動狀態(tài)下加速度進(jìn)行分析 可以 得知 幾種典型情況下彈體 的加速度特征有比較明顯的特點 可以 通過區(qū)分不同 情況下加速度相應(yīng)的 特點來 識別彈體的不同運(yùn)動狀態(tài) 本文所采用的方法是實時測量兩個垂直方向的加速度變化 并且將兩個方 向的加速度大小合成為物體真實運(yùn)動的加速度大小 兩個方向的加速度變化也作 為我們判斷的依據(jù) 3 2 1人為 搬動 人搬動情況下雷彈水平方向的加速度變化與人的相同 從圖2 7 可以看出 但人走路快慢會影響加速度幅值和加速度方向交替的變化頻率 因此 速度的正負(fù)交替作為這一運(yùn)動的特征 變化特征簡化為在一定的取樣時間內(nèi) 并且加速度的大小作為參考量 我們以加 加速度的 加速度的方向 交替變化 并且在每一次交 碩士論文 基于加速度計的電子防排裝置研究 替之前也就是方向沒有變化前的小周期內(nèi) 加速度的大小呈遞減的規(guī)律 為了能讓防排裝置中的信號識別系統(tǒng)識別這種加速度不斷交替的 特性 我 們可設(shè)置幾個數(shù)據(jù)寄存器j k l m n 尸 分別存儲前一次和本次加速度的 大小和方向 數(shù)值上表示為正負(fù) 剩下的兩個寄 存器作為標(biāo)識 一個標(biāo)識加速 度的峰值 另一個標(biāo)識加速度方向的 變化 另外也可以 用同 一寄存器寄 存帶方向 標(biāo)志的加速度數(shù)值 只是在比較時需另外引出作為數(shù)據(jù)最高位的方向位 3 了尸l 口 口 口 前一次a 的大小 前一次 a 的方向 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示 正負(fù) 本次a 的 方向 本次a 的 大小 識別過程見圖31 人為搬動 圖3 1人為搬動時的判斷識別方法 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 在以上判別過程中 需要說明以下幾個問題 l c c l用 來 標(biāo)識 加 速 度的 最 大 值 即 峰 值 z e e l用來 標(biāo) 識 加 速 度 符號 的 變 化 這 樣 可以 判 別出 加 速 度呈 交 替的 特征 3 當(dāng) 既 達(dá)到峰 值 又有正負(fù) 交替時 就 可 判斷 為 認(rèn) 為 搬動 3 2 2車 輛推 動 被機(jī)動車輛推動的情況下 加速度變化呈減小的趨勢 如圖2 1 0 且方向 不變 最終加速度減小為零值時 說明已 經(jīng)達(dá)到或接近勻速直線運(yùn)動狀態(tài) 根據(jù) 這種加速度特性 可先判斷是否有峰值 然后再判斷是否在持續(xù)一段時間后達(dá)到 或接近零值 根據(jù)一般的汽車加速過程 如果將最高時 速定為40k m 小以內(nèi) 我 們可將tr 加速時間 定為35以內(nèi) 我們可設(shè)置幾個數(shù)據(jù)寄存器 j k l m n p 分別存儲前一次和本次 加速度的大小和方向 數(shù)值上表示為正負(fù) 剩下的兩個寄存器作為標(biāo)識 一個 標(biāo)識加速度的峰值 另一個標(biāo)識加速時間的長短 園 回 前一次a 的大小 前 一次 a 的方向 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示介 本次a 的 方向 本次a 的 大小 識別過程如圖3 2所示 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 車推 圖 3 2車輛推動時的判斷識別方法 圖3 2中有幾點需要說明 1 q 0 是 指么值 在 零 值附 近一 定范圍 內(nèi) 時 就 可 近似 看為 零 其 具 體 范 圍為多少視實際情況而定 可在單片機(jī)編程時修改 2 tt 15為否定 情況時 我們就認(rèn)為是干擾 如石頭的輕微撞擊等 在 此種情況下 應(yīng)視為非車輛推動或不予起爆 3 在如二 么時 即 采 樣的 前 后 兩次 數(shù) 據(jù) 方向 不同 此 時 可 能 是 雜 波 也 可能是非車輛推動時的情況 可繼續(xù)采樣以確定 也可以不繼續(xù)采樣得出結(jié)論為 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 非車輛推動 3 3 3識別方案綜合 在以上章節(jié)中 根據(jù)兩種不同的加速度特征總結(jié)出了不同運(yùn)動形式的識別方 案 但并未形成統(tǒng)一的 綜合的識別方法 其中的任意一個識別方法只能識別特 定的運(yùn)動形式 而不能適用于識別另一種運(yùn)動形式 因此 在反排裝置中需要一 個綜合的 能有效識別兩種不同運(yùn)動類型的邏輯識別方案 我們可以根據(jù)加速度 變化的特征將兩種不同的運(yùn)動類型分為兩大類 車 輛 推 動 和 人 為 搬 動 首先 從總體上 系統(tǒng)需要分別判斷x y兩軸上的加速度特征所對應(yīng)的運(yùn) 動形式 得出初次判斷結(jié)果 選擇出結(jié)果屬于兩大類中的哪一類 然后再根據(jù)初 次判斷結(jié)果作進(jìn)一步的判斷 得出最終結(jié)果 其次 在邏輯判斷上 我們可根據(jù)實際在分別設(shè)置以下幾個寄存器用來存 儲分別來自x y軸上的加速度數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)寄存器j k l m n p 分別存 儲前一次和本次加速度的大小和方向 數(shù)值上表示為正負(fù) 剩下的兩個寄存器 作為標(biāo)識 一個標(biāo)識加速度的峰值 另一個標(biāo)識加速時間的長短 nl材 1尸ili 前一次ax 的大小 前一次ax 的方向 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示衍 本次氣 的方向 本次a 二 的大小 入 嘆五 刃 前一次 a 的 大 前一次 a 的 方 標(biāo)示 峰值 標(biāo)示t r 本 次 凡 的方向 本 次 a 的大小 總體識別過程流程如圖3 3 所示 碩士論文荃于加速度計的電子防排裝置研究 3 3總體識別原理框圖 在實際中 在彈體運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變與系統(tǒng)開始采樣之間會有個延遲 因此 可以設(shè)定系統(tǒng)在確定有加速度變化后 延遲 t 時刻然后進(jìn)行采樣 t 的大小可以 更具實際情況確定 識別過程見圖3 4 其中 意義分別為 車輛推動 人為搬動 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 人為搬動 3 耳總體識別流程框圖 3 3本章小結(jié) 本章通過對目標(biāo)加速度特性的分析制定了在對彈體在相應(yīng)運(yùn)動狀態(tài)下的識 別方法 并在最后制定出了總體上實現(xiàn)是別的綜合識別方法 為下一章目 標(biāo)識別 的實現(xiàn)提供了理論上的依據(jù) 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 4總體設(shè)計 4 總體方案 總體上 整個反排裝置由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩大部分組成 并受 彈體中中央控制器的控制 中央控制器對反排裝置的控制主要反映在對裝置發(fā)出 啟動指令 然后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過加速度傳感器采集加速度信號 經(jīng)過放大 a 少 d轉(zhuǎn)換后 將處理后的信號送入事先編輯好程序的單片機(jī)進(jìn)行處理 最后得出 數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 中央控制器 圖4 1反排裝置中目 標(biāo)識別過程方框圖 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 首先要選擇最為關(guān)鍵的加速度傳感器 所選的傳感器 既要滿足測量量程的需要 還必須滿足在平面兩個軸向方向上分別采集信號并相 應(yīng)輸出 目 前世界上的一般傳感器都是由多片芯片組成來初步處理采集后的信 號 而更為先進(jìn)的傳感器 如a d i 公司開發(fā)的加速度計 采用的是較為先進(jìn)的 單片集成方法 在同 一芯片上制作出 加速度敏感元 件和相應(yīng)的 信號調(diào)理電路 其 次 要選擇轉(zhuǎn)換精度高而且轉(zhuǎn)換速度快的a d 轉(zhuǎn)換器 因為采集后的信號必須 及時的送入戶 以 d轉(zhuǎn)換器內(nèi) 轉(zhuǎn)換 然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理 如果轉(zhuǎn)換速度太慢 則會有一些信號可能被漏掉 如果轉(zhuǎn)換精度太低 則會影響判別結(jié)果 在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中 必須選擇處理速度快 寄存量大的單片機(jī) 因為必須采 集足夠多的加速度信號才能有效識別目 標(biāo) 彈體 的運(yùn)動特征 增加采集量可有 效增加正確識別的幾率 除此之外 單片機(jī)的處理速度必須要大于加速度計 或 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的信號采集速度 否則 前一次的加速度信號就會有可能還未來 得及處理就被后面的信號沖掉了 漏掉本該處理的信號會大大降低系統(tǒng)正確識別 彈體運(yùn)動特征的幾率 在反排裝置中 為了能實現(xiàn)對彈體運(yùn)動裝態(tài)的判別 必須通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 將待測信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入單片 機(jī) 因此 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是外部信號進(jìn)入信號識別 系統(tǒng)的必經(jīng)之路 是反排裝置中必不可少的前向 通道 而且 它也是本課題所設(shè) 計的電子反排裝置的重點 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要從一個或多個信號源中采集模擬信號 并將這些信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字形式 圖4 2 為一個本反排裝置中的雙通道 因為采集的 信號為x y兩軸 向的加速度信號 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖 外部的模擬信號經(jīng)多路模擬開關(guān)以一 定方式按次送入前置放大器 a 有時是可程控的 經(jīng)前置放大器和采樣保持器 s h a后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器a d c 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后 通過緩沖器與儀表的總線聯(lián)接 內(nèi)部總線 多路模擬開關(guān) 傳 感 器 信號 咒淄耳鬢 控制電路 4 2雙通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖 可見 對于模擬信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 基本環(huán)節(jié)或部件有 模擬多路轉(zhuǎn)換 器與 信號調(diào)節(jié)器 采樣 保持器 模擬 數(shù)字 a d 轉(zhuǎn)換器 通道 控制電 路 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中與傳感器相連接的是信號調(diào)節(jié)器 它完成傳感器初次輸出 模擬信號的調(diào)節(jié)任務(wù) 而模 數(shù)轉(zhuǎn)換中的多路轉(zhuǎn)換及信號調(diào)節(jié)則要將模擬信號變 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置 研究 換成直接滿足模 數(shù)變換需要的 信號電 平及輸入方式 為了 減少動態(tài)數(shù)據(jù)測量的 孔徑誤差 由于模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量有一過程 對于一個動態(tài)模擬信號 在模 數(shù)轉(zhuǎn)換器接通的 孔徑時間里 輸入的 模擬信號值是不確定的 從而引 起輸出的 不 確定性誤差 對于快速動態(tài)信號應(yīng)設(shè)置采樣 保持電路以防止采樣過程中 信號發(fā) 生變化 因此 模擬數(shù)據(jù)的采集及模 數(shù)變換通道設(shè)傳感器時不僅僅是單純選擇 人 江 轉(zhuǎn)換接口 要綜合考慮從傳感器到單片機(jī)數(shù)據(jù)輸入的全過程 在本反排裝置中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括 傳感器 前置放大器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 單片機(jī) 所有部件由 單片機(jī)來控制 開始采樣信號由 上位機(jī)來發(fā)出 隨后采樣電 路將所采集的信號數(shù)據(jù)送入總線 4 2 硬件設(shè)計 硬件電路設(shè)計為本設(shè)計的核心部分 它不僅負(fù)責(zé)傳感器信號的采集 處理 傳輸任務(wù) 而且負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的 控制命令 將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī) 并具 有校驗功能 從而使整個系統(tǒng)可靠 有序的工作 整個電路由 加速度傳感器信號 采集電 路 a v r單片機(jī)解算控制電路 通信接口電路以 及供電器件組成 電子 防排裝置加速度采集電路見附件一所示 4 2 器件選擇 4 2 1 微處理器選型 單片機(jī)是整個處理系統(tǒng)的核心 應(yīng)該從具體的要求出發(fā) 選擇合適的單片 機(jī)型號 根據(jù)總體設(shè)計 傳感器輸入兩路信號經(jīng)過測量放大器放大后進(jìn)入 a j d 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由d s p進(jìn)行處理 要求在規(guī)定的時間間隔內(nèi)完成對信號的采 集和處理 包括以下幾部分 信號的采集 信號的數(shù)字濾波 誤差的自 動補(bǔ)償 滾轉(zhuǎn)角的解算以 及信號的存儲 這就對 c p u提出的很高的要求 因此必須采用 高速度的數(shù)字信號處理器 在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中 必須選擇處理速度快 寄存量大的單片機(jī) 因為必須采 集足夠多的加速度信號 才能有效識別彈體的運(yùn)動特征 增加采集量可有效增加正 確識別的幾率 除此之外 單片機(jī)的處理速度必須要大于加速度計 或數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng) 的 信號采集速度 否則 前一次的加速度信號就會有可能還未來得及處理 就被后面的信號沖掉了 漏掉本該處理的信號會大大降低系統(tǒng)正確識別彈體運(yùn)動 特征的幾率 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 在設(shè) 計中 我們選擇了 單片機(jī)at90s25 13作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的 核心 a j 9 0 5 2 3 13是一款基于a v rr is c的低功耗c m o s s 位單片機(jī) 通過在一個 時 鐘 周 期內(nèi) 執(zhí) 行 一條 指 令 八 t g o s 2 3 13可以 取 得 接 近i mi ps 從h z 的 性 能 從 而 使得設(shè)計人員可以在功耗和執(zhí)行速度之間取得平衡 a v r核將32個工作寄存器和豐富的 指令集聯(lián)在一起 所有的工作寄存器都 與a lu 算邏輯單元 直接相連 允許在一個時 鐘周期內(nèi)執(zhí)行的 單條指令 同 時訪問2 個獨(dú)立的寄存器 這種結(jié)構(gòu) 提高了代碼效率 使a v r得到了比普通 c ls c單片機(jī)高將近10倍的性能 八 t 9 0s2 3 i3具有以下特點 1 a v rr is c結(jié)構(gòu) 高性能 低功耗ris c結(jié)構(gòu) 1 18條指令 大多為 單指令周期 3 2 個8 位通用 工作 寄存器 工 作 在10 m h z 時 具 有1 0 m ips的 性 能 2 數(shù)據(jù)和非易失性程序內(nèi) 存 z k 字節(jié)的 在線可編程fl as h 擦除 次數(shù)為1 傭次 128 字節(jié)s r a m 1 2 8 字節(jié)在線可編程e e p r o m 壽命為1 0 0 0 0 次 程序加密位 3 外圍 p eriphe r a l 特點 1 個可分頻的8 位定時器j 計數(shù)器 1 個可分頻 具有比較捕捉和 8 9 1 0 位 p w入 1 功能的16位定時器 計數(shù)器 片內(nèi)模擬比較器 可編程的看門狗定時器 由片內(nèi)振蕩器產(chǎn)生 全雙工 u a r t 4 特別的mc u特點 低功耗空閑和掉電模式 內(nèi)外部中斷源 5 規(guī)范 s p e c i fi c at i on 碩士論文基于加 速度計的電子防排裝置研究 低功耗 高速 c m o s 工藝 全靜態(tài)工作 6 4 mh z 3 v 2 5 c條件下的功耗 工作模式為2 s ma 空閑模式為0 8 毗 掉電模式為 l ua 7 1 0 封裝 巧個可編程的1 0 腳 2 0 腳p d i p 和s o i c 封裝 8 工作電壓 2 7 6 0 v 一4 0 6 o y at9 0 5 2 3 1 3 一 4 at9 0 5 2 3 1 3 一 1 0 9 速度 刃 4 陽2 at9 0 5 2 3 1 3 一 4 0 一1 0 陽2 at9 0 5 2 3 1 3 一 1 0 器件是以a t m e c的高密度 非易失 性內(nèi) 存技術(shù)生產(chǎn)的 片內(nèi)fl as h 可以 通過 is p 接口或通用編程器多次編程 通過將增強(qiáng)的犯s c的8 位c p u與fl as h集成 在一個芯片內(nèi) at9 0 5 3 213 為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了 靈活而低成本的方案 a t 9 0s2313 具有一整套的 編程和系統(tǒng)開發(fā)工作 宏匯編 調(diào)諭仿真器 在 線仿真器和 s l 口 a v r編程開發(fā)試驗器 4 2 1 z a d 轉(zhuǎn)換器選型 a 心轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件 戶 以 d轉(zhuǎn)換由 采樣 量化和編碼 三個過程組成 采樣過程是把輸入的連續(xù)時間變化的模擬量離散化 即變成時間域上斷續(xù)的 模擬量 量化過程就是把采樣取得的在時域上斷續(xù) 但是在幅值上連續(xù)的模擬量 進(jìn)行量化 即用相對于最小數(shù)字量的信號值的某個整數(shù)倍去表示該采樣值 編碼 是把己經(jīng)量化的數(shù)字量用一定的代碼表示輸出 通常采用二進(jìn)制碼 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 對 a j d轉(zhuǎn)換器有以下要求 1 精度高 2 轉(zhuǎn)換速 度快 因為采集后的信號必須及時的送入 刀d轉(zhuǎn)換器內(nèi)轉(zhuǎn)換 然后送入單片機(jī) 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 進(jìn)行處理 如果轉(zhuǎn)換速度太慢 則會有一些信號可能 被漏掉 如果轉(zhuǎn)換精度太低 則會影響判別結(jié)果 在本設(shè)計中 我們采用tl公司的幾c 2 5 4312位串行a j d轉(zhuǎn)換器 t l c 2 5 4 3 串 行a d 轉(zhuǎn)換器使用開關(guān)電 容逐次逼近技術(shù)完成a d轉(zhuǎn)換過程 由 于是串 行輸入結(jié)構(gòu) 能夠節(jié)省單片機(jī)1 0資源 且價格適中 其特點有 1 12位分辨率a d 轉(zhuǎn)換器 2 在工作 溫 度范 圍內(nèi)10娜轉(zhuǎn)換時 間 3 n個模擬輸入通道 4 3 路內(nèi) 置自 測試方式 5 采樣率為6 6 k b p s 6 線性誤差 i l s b x 7 有轉(zhuǎn)換結(jié)束 e oc 出 8 具有單 雙極性輸出 9 可編程的璐b 或lsb 前導(dǎo) 10 可編程的輸出 數(shù)據(jù)長度 tlc 2 5 4 3 是12位開關(guān)電 容逐次逼近a 了 d轉(zhuǎn)換器 逐次逼近比 較式戶 以 d轉(zhuǎn)換 器屬于直接比較型 它是用一組基準(zhǔn)電壓與被測電壓進(jìn)行逐次比較 不斷逼近 最后達(dá)到一致基準(zhǔn)電壓的大小 就表示了被測電壓的大小 和被測電壓相平衡的 基準(zhǔn)電 壓 以一定二進(jìn)制數(shù)碼輸出 就實現(xiàn)了a 刃轉(zhuǎn)換過程 主要組成部分有 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 比 較器 移位寄存器 數(shù)據(jù)寄 存器 時鐘以 及邏輯控制電 路等 逼近式 八 刃 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快 精度高 外用元器件也不多 是使用較 廣的一種轉(zhuǎn)換電路 4 2 1 3傳感器選型 在本設(shè)計中采用的加速度傳感器是a l 1 公司的單片集成雙軸加速度傳感器 a d x lzo z 它的采樣頻率為i k h z 在兩種預(yù)先假設(shè)的 運(yùn)動中 人為搬動的周期 大約為0 5 75 頻率為z h zlz 車 輛推動 彈片 擊中 時的 加 速度 信號頻 率大約為 1 一 功 h z 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳感器的采集頻率 因此 利用此傳感器采集彈體運(yùn)動的加 速度信號完全符合采樣定理 理論上可以利用此傳感器采集加速度信號 a d x l 2 02是一種低成本 低功耗 功能完善的 雙軸加速度傳感器 其測量范 碩士論文墓于加速度計的電子防排裝置研究 圍 為士 2 9 a d x l202既 能 測 量 動 態(tài) 加 速 度 如 振 動 加 速度 又能 測量 靜 態(tài)加 速 度 如 重 力 加 速 度 其內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 如 圖4 3 所示 a d x l 2 02具有以下特點 l a d x l202是集雙軸加速度傳感器于一體的單塊集成電路 它既可測量 動態(tài)加速度 又可測量靜態(tài)加速度 2 a d x l202采用14引腳表面封裝 有兩種工作溫度范圍 商業(yè)溫度范圍 為0 7 0 工業(yè)溫度范圍為 一 0 一 85 3 具有脈寬占 空比輸出 4 a d x l202的帶寬可以 通過電容c x和c y在0 olhz s k h z 的范圍內(nèi) 設(shè)定 其典型噪聲值為s oop g 漢 h z 1 2 60hz 帶寬時的分辨率為s mg 5 低功耗 0 6 m a 60hz 帶寬時的分辨率為s mg 直流工作電壓為 3v 十 5 25v 可承受1 0009的 劇烈沖擊 on o tc o n 陽 三 c n x公 f f s e t nul l 之 鉀 0 盯x 甘 含 盯丫 5 三 l 二 了 s tyo f s t 呀ij盆 l 圖4 3a d x l 2 02 結(jié)構(gòu)圖 4 2 4 放大器芯片選型 由 加速度傳感器采集到的 模擬信號在進(jìn)行a 心轉(zhuǎn)換前需進(jìn)行放大 因 此需 要選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃?要求放大器功耗小 精度高 在本設(shè)計中選用貼片式放大 器 o p z o pz 是一款精密運(yùn)算放大器 最大輸入失調(diào)電壓0 3 25m v 共模抑制比 1 1 0 d b 電源抑制比 1 2 0 d b 開環(huán)電壓增益8 8 v m v 軌至軌輸出 輸出電流3 0 m v 帶寬 1 5 mhz 壓擺率 1 3 物5 電源電壓士 1 3 5 v d 幼 o v或 2 7 v一 1 2 v 每運(yùn) 放最大電 源電 流0 85m a 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 4 2 1 5電 源芯片選型 由于主要元器件工作電壓均為十s v 而電源盒供電電壓為十 9 一 1 2 v 因此 需要將電壓由 9 一 1 2 v調(diào)到 s v 電源芯片78l 05和l m3 3 6 一 5 可以完成此工作 78l 05 是一款單片集成的三端穩(wěn)壓電源芯片 其工作特點有 工作電流 10 0 ll la 內(nèi)置的電路保護(hù) 低噪聲 高精度 精度可達(dá)5 輸出電壓 s v 工 作溫度一 20 計85 性價比高 使用廣泛 l m336 一 5是一種常用的基準(zhǔn)二極管 其工作特點有 具有很小的動態(tài)電阻 僅有眾 2 在很小的 工作電 流下即 有很硬的 特性 在10 必 電流下即可正常 工作 溫度系數(shù)低 典型值僅2 0 p p 而 約25 v 比 普通穩(wěn)壓管低百倍以 上 工作電壓分別為1 2 35v 2 乃 v s v且工作電壓的離散性很小 僅1 一 2 一般情 況下具有互換性 價格便宜 因而得到廣泛使用 4 2 1 6通訊芯片選型 數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理 顯示以及相應(yīng)的處理都需要在上位機(jī)實現(xiàn) 因此 單 片機(jī)需與p c機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊 八 t 9 0 5 2 3 12具有很強(qiáng)的串口 通信能力 故可采用 其串口實現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸 在進(jìn)行串行通信時 需要計算機(jī)和外設(shè)之間共同遵守某種約定 即通信協(xié) 議 rsz 犯 r s 4 22及rs4 85是串行通信的常用接口 標(biāo)準(zhǔn) rs232 是美國電子 工業(yè)協(xié)會e ia e le c t r o n i c l n d ustria l ass o c i at i on 和b e l l 公司一起開發(fā)的于1 9 6 9 年頒布的通信協(xié)議 它適合傳輸速率在0 一z o k b 5 范圍內(nèi)的通信 現(xiàn)已成為微 機(jī)串行通信接口中 廣泛應(yīng)用的一種標(biāo)準(zhǔn) r s 2 32規(guī)定 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速度小于0 一 z o k b 5 且電纜的電容負(fù)荷小于250 0 p f時 傳輸距離小于15m 本系統(tǒng)主要是 利用系 統(tǒng)所保存的 數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定 因此并不要求實時 傳輸 對速度要求不 高 因此采用r s 2 32異步通信方式 為增加信號在線路上的 傳輸距離和提高抗干擾能力 r s 一 2 咒 提高了 信號 的傳輸電平 該接口 采用雙極性信號 公共地線和負(fù)邏輯 對于發(fā)送端 一 s v 一 巧 v表示邏輯1 s v 一 15 v表示邏輯0 對于接收端 電壓低于一 3 v表示 1 高于十3 v表示0 它與單片機(jī)的邏輯電 平不一致 因此在實際應(yīng)用時 必須 把微處理器的信號電平 竹l電平 轉(zhuǎn)換為r s 2 32 電 平 或者對兩者進(jìn)行逆轉(zhuǎn) 換 m a x 2 32芯片可以完成電 平轉(zhuǎn)換這一工作 碩士論文基于加速度計的電子防排裝置研究 m a x 2 32 芯片是ma x i m 公司生產(chǎn)的低功耗 單電源雙r s 2 32 發(fā)送 接 收器 適用于各種e ia一 2 32e和v 28 v 24 的通信接口 ma x 2 32 芯片內(nèi)部有一 個電 源電 壓變換器 可以 把輸入的 十s v電 源變換成 rs一 2 32c輸出電 平所需士 10 v電壓 所以采用此芯片 接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的 5v電源就可以 m a x 2 32 外圍需 要4 個電 解電c l c z c 3 c4 是內(nèi) 部電 源轉(zhuǎn)換所需電容 其取值均為1 f 2 5 v 宜選用擔(dān)電容并且應(yīng)盡量靠近芯c s 為0 1 協(xié) f的去藕電 容m a x 2 3 2 的引腳tlln tzin r 1 0 u t r20 u t為接t t l c m o s電平的引 腳 引腳t l u t t20 u t r l ln rzin為接rs 一 2 32c電平的引 腳 因此t t l c m o s電平的t l ln tzin 引腳應(yīng)接m c s 一 51的串行發(fā)送引腳t x d r i o u t r20 u t應(yīng)接 m c s一 51 的串行接收引腳 r x d i與之對應(yīng)的 rs一 232 c電平的 t 1 0 u t t20 u t應(yīng)接p c機(jī)的接收端r d r l ln rzin 應(yīng)接p c機(jī)的發(fā)送端 1 d 4 2 2 外圍電路