基于加速度傳感器MMA7260QT的自動搖籃設計

　　引言

　　照顧小寶寶是非常勞累的事情，因為他們醒來和睡覺都比較頻繁，加之喂食換衣服等活動，會占用大人大量的時間和精力。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(xiàn)在市面上的電動搖籃僅有簡單的定時功能，因此不能針對嬰兒的活動發(fā)生動作，若搖籃一直搖動，對嬰兒的安撫作用就會降低。采用聲音觸發(fā)的自動搖籃，缺點是嬰兒先是活動，得不到安撫則會哭鬧，搖籃才會啟動進行安撫；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來啟動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。

　　自動搖籃的原理

　　本系統(tǒng)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判斷嬰兒的活動情況，同時用麥克風檢測嬰兒哭鬧的聲音作為輔助判斷，然后根據設置啟動搖籃搖動。人機界面由鍵盤和點陣液晶顯示器組成。

　　測量運動的方法

　　加速度傳感器測量運動和動作有很多算法，本系統(tǒng)中由于搖籃的活動方向是二維的，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），運動情況單一，場合也不復雜，所以采用簡單的閾值判斷的方法即可實現(xiàn)。閾值代表著靈敏度，可由用戶根據實際情況選擇。

　　觸摸按鍵的實現(xiàn)

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

　　使用PCB焊盤作為觸摸按鍵，和地之間構成一個小電容C1（沒有手指觸摸時），按鍵通過大阻值電阻R1接地。單片機端口平時輸出高電平，檢測按鍵時則為鍵盤中斷，隨著C1上的電荷通過R1流失，電平逐漸降低直至引起鍵盤中斷，從開始檢測到引起鍵盤中斷的時間為T1，當有手指觸摸時相當于在C1上并了一個電容，因此電容值變成C2，則從開始檢測到引起鍵盤中斷的時間為T2，通過檢測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。這樣就實現(xiàn)了兩個端口判斷三個按鍵的功能。

　　PWM脈寬調制驅動電機

　　使用脈寬調制（PWM）的方式驅動電機來實現(xiàn)調速，可以給用戶選擇3檔搖動速度，也可以實現(xiàn)軟啟動和軟停止。

　　液晶顯示

　　使用3V串口液晶顯示模塊，用單片機SPI口驅動，實現(xiàn)簡潔高效的顯示界面。

　　系統(tǒng)特性

　　A.使用飛思卡爾MC9S08QG8單片機作為控制器，集成度高，性價比好。

　　B.使用飛思卡爾MMA7260QT加速度傳感器感知動作，性能先進，穩(wěn)定。

　　C.良好的人機界面包括了點陣液晶顯示器和簡潔的菜單系統(tǒng)。

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

　　E.使用單片機PWM功能實現(xiàn)搖籃速度可調，軟啟動和軟停止。

　　F.可控音量的音樂播放功能。

　　系統(tǒng)概述

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

　　嬰兒睡著時，搖籃不動，加速度傳感器的輸出穩(wěn)定，單片機采樣得到的數值作為零值。當嬰兒有動作引起搖籃晃動，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，PWM引腳輸出驅動電機動作。

　　麥克風作為可選的輔助判斷依據也輸入單片機。

　　音樂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

　　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化了系統(tǒng)設計和成本，本系統(tǒng)主要用到了以下功能：

　　高速CPU和大容量的Flash和RAM存儲器

　　內置的精確時鐘

　　2通道10位AD轉換器

　　2個鍵盤中斷輸入端口

　　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，內部信號調理，內置濾波，量程可選，性能穩(wěn)定可靠，設計起來相當簡潔方便。

　　加速度測量部分

　　傳感器設置為最小的量程，輸出經過電阻電容濾波然后進入單片機AD輸入，如圖4。

　　鍵盤電路

　　鍵盤電路十分簡單，端口到地接2M電阻即可，觸摸鍵盤的PCB設計要兼顧三鍵判斷，故采用如圖5設計。

　　電機驅動

　　單片機輸出PWM脈寬調制信號，然后通過驅動電路驅動電機。

　　麥克風輸入

　　麥克風輸入經放大后通過二極管整流到電容上，此電壓進入單片機AD轉換器。

　　音樂播放

　　音樂源使用專用音樂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(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點陣，單片機通過SPI端口直接相連。

　　外圍其他電路

　　電源經220V轉為5V然后經LM1117-3.3穩(wěn)壓成3.3V輸出給系統(tǒng)電路使用，5V電壓還用來驅動電機。

　　系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件完成以下功能：

　　根據設置參數定期檢測搖籃狀態(tài)。

　　定期對鍵盤中斷引腳檢測充放電時間。

　　驅動液晶顯示器顯示相關參數、菜單。

　　根據參數驅動搖籃播放音樂。

　　檢測搖籃狀態(tài)

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

　　鍵盤檢測

　　以20Hz的頻率掃描鍵盤，定時器中斷程序把相應引腳置為輸入，允許鍵盤中斷。引腳放電引起鍵盤中斷，保存中斷時的定　　時器數值，然后退出。主程序等兩個按鍵引腳都掃描完畢保存了放電時間后，調用鍵盤處理程序分析，得到按鍵結果。

　　液晶顯示器驅動

　　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。

　　搖籃驅動和音樂播放

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

　　功放音量根據參數設置，觸發(fā)音樂IC播放音樂。

　　其他輔助程序

　　根據軟件需要，設置定時器中斷和變量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