基于LPC2136的倾角检测仪设计

李力 陈新华 冯军军

摘要：随着社会的发展，平衡检测技术被用到多个领域，如老人防跌倒检测、机器人平衡状态检测、车辆平衡检测、飞行器的姿态测量等。因此本文基于LPC2136控制器，设计了一款便携式的倾角检测仪。

关键词：倾角检测;平衡检测;ADXL345;LPC2136

中图分类号：TP312     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0235-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Inclination Detector Based on LPC2136

LI Li，CHEN Xin-hua，FENG Jun-jun

（Department of Information Engineering， Sichuan Vocational College of Information Technology， Guangyuan 628017， China）

Abstract： With the development of society， balance detection technology has been used in many fields， such as fall-proof test for the elderly， balance state detection of robots， vehicle balance detection， posture measurement of aircraft， etc. Therefore， based on LPC2136 controller， a portable inclination detector is designed in this paper.

Key words： Ultrasonic; Ultrasonic ranging; Ultrasonic ranging instrument; Microcontroller; LPC2136

平衡檢测或倾角检测被广泛地应用到现代生活的各个方面，如手持设备、工业控制、个人导航、医疗设备等都会用到倾角检测。因此本文基于LPC2136微控制器，利用ADXL345传感器设计了一款便携式的倾角检测仪。

1 系统总体设计方案

如图1所示，整个系统由核心控制模块和3个子功能模块组成。核心控制模块完成外设的初始化以及子程序调用;倾角检测子模块主要完成倾角检测;语音子模块完成语音录放功能;显示子模块主要用于显示倾角。

其中微控制器选用的是LPC2136，倾角检测模块选用的是ADXL345传感器，语音模块选用的是LM386音频放大器和ISD4004语音芯片，显示模块选用的是LCD1602字符型液晶。

1.1 LPC2136微控制器

LPC2136是PHILIPS公司生产的32位ARM7TDMI-S微控制器，特点是：抗干扰能力强、效率高、封装小、功耗低[1];分别有256KB的Flash程序存储器和32KB的片内SRAM存储程序和数据[2];2个串口，47个通用I/O口，9个外部中断[3];2个32位定时/计数器，可用于定时和计数[4]。

1.2 ADXL345三轴加速度传感器

ADXL345是ADI 公司的一款3轴数字加速度传感器[5]，可以检测被测物体在x、y、z轴三个方向的加速度变化，从而计算其倾角变化。

ADXL345的加速度最大测量范围为±16g，最高分辨率为13位[6]，灵敏度为3.9mg/LSB，可以检测小于1°的倾角变化;可以测量静态重力加速度和动态加速度[7];32级FIFO缓存，可以存储32组x、y、z轴的检测数据，最大限度地减小对主控制器的影响;40～145uA 的超低功耗，待机模式只有 0.1uA;14引脚的LGA封装，尺寸为3mm*5mm*1mm;数据以16位的二进制补码方式输出，通信方式有I2C或者SPI[8]。

ADXL345的检测轴如图2所示，当检测轴向上时，其检测的是正加速度;当检测轴向下时，检测的是负加速度;当某个检测轴处于水平面时，其对应的加速度为0g。如图2所示，Z轴垂直向上，且X和Y轴处于水平面时，X、Y、Z轴的加速度分别为：Xout=0g，Yout=0g，Zout=最大正向加速度。当ADXL345的Z轴垂直向下时，X、Y、Z轴的加速度分别为：Xout=0g，Yout=0g，Zout=最大反向加速度。

ADX345对于每个检测轴的数据都分别通过2个8位的数据寄存器以16 位二进制补码格式的方式输出。例如X轴的检测数据通过DATAX0（低字节）和DATAX1（高字节）输出。

ADXL345数据的输出格式与分辨率（固定的10位分辨率和全分辨率）、测量范围（±2g，±4g，±8g，±16g）和数据对齐方式（左对齐和右对齐）有关。分辨率模式、测量范围、数据对齐方式都可以通过DATA_FORMAT寄存器进行设置。

假设为全分辨率，测量范围为±16g，则分辨率为13位，数据右对齐，DATAZ0和DATAZ1的数据分别为0000 1111 1111 1111，高4位（符号位）为0，说明检测为正向加速度，则ADXL345输出的数字信号与加速度转换方法为，将0000 1111 1111 1111转换成10进制再与比例因子相乘，即：加速度az=（212-1）LSB×3.9mg/LSB=15.9705g。

如果DATAZ0和DATAZ1的数据分别为1111 0000 0000 0000，其他条件不变，高4位为1111，说明检测的是负加速度，则加速度计算方法为，首先将补码变成原码，即0001 0000 0000 0000，再转换成10进制与比例因子相乘，所以加速度az=-212LSB×3.9mg/LSB=-15.9744g。

在应用环境中，如果要倾角检测，则需要将检测到的加速度转化为倾角，假设最大正向加速度为a，每个检测轴的加速度分别为ax、ay、az，则X、Y、Z轴与重力反方向的夹角为A、B、C，如图3所示。

根据三角函数可知，每个检测轴检测到的加速度与重力反方向的夹角的关系为：

ax=a*cosA，ay=a*cosB，az=a*cosC

a相当于由ax，ay，az组成的长方体的对角线，因此它们之间的关系为：

[a=ax2+ay2+az2]

由此可推得X、Y、Z轴与重力反方向的夹角分别为：

A=acos（ax/a）*180/3.14

B=acos（ay/a）*180/3.14

C=acos（az/a）*180/3.14

所以X、Y、Z轴与水平方向的夹角A'、B'、C'分别为：A'=90-A，B'=90-B，C'=90-C。

1.3 LCD1602液晶显示器

LCD1602液晶显示器共两行，每行16个字符模块;可以显示数字、字母和符号，但不能显示图形。每个模块都是一个5×11或5×7的点阵，模块间有一个点的间距[9]。

1.4 ISD4004语音芯片和LM386音频功率放大器

ISD4004语音芯片，输出的音质高;单个芯片的录放时间为8～16分钟，可录音10万次;3V的工作电压;通信方式有SPI或者Microwire;常用在便携式语音设备中。

LM386音频功率放大器，特点是外接元件少、失真小、功耗低、工作电压范围宽等，常用于各种收音和录音设备中。

2 软件设计

本文中程序使用keil uvision4作为程序编译、调试工具，编程语言为C语言。整个系统由主控制程序和多个子程序组成。主控制程序完成各种外设的初始化以及子程序的调用。不同的子程序用于完成不同的子功能，其中倾角检测子程序主要完成倾角检测;语音采集子程序用于完成系统语音的采集;显示子程序用于实时显示检测的倾角;语音播报子程序主要完成检测倾角的语音播报。

3 电路调试与结果

根据系统框架图和选择的硬件设备，绘制电路图并制版、焊接，编写并调试程序，设计了一款基于LPC2136微控制器的倾角检测仪。经过测试，系统测量效果良好、性能可靠，适用多种场合下的倾角测量。

参考文献：

[1] 卢飞. 基于ARM内核μC/OS-Ⅱ操作系统的15ppm舱底水监测系统的设计与实现[D].大连海事大学，2012.

[2] 喻海军. 基于ARM的汽車电子稳定控制系统设计[D].合肥工业大学，2010.

[3] 梁辰明. 基于FPGA和ARM的数字逻辑测试仪的设计与实现[D].东南大学，2018.

[4] 高磊. 基于物联网技术的果园虫害信息监测系统设计[D].安徽大学，2018.

[5] 纪利琴，欧杨磊，孙静，苏巧平.基于ADXL345无线避障小车控制系统设计[J].贵阳学院学报（自然科学版），2018，13（04）：66-69+88.

[6] 沈拓. 小型地效无人机飞控系统研究[D].南昌航空大学，2018.

[7] 张宁. 基于无人机平台的动态目标检测系统开发[D].浙江大学，2018.

[8] 金思达，徐艺铭.浅谈基于单片机的计步器设计[J].电子制作，2018（08）：8-9.

[9] 陈才国. 基于机器视觉的全方位倾斜传感器的开发及其应用[D].浙江工业大学，2013.

【通联编辑：梁书】