基于加速度计的精神水平设计，用于视障人士GydF4y2Ba

文章：Simon BrambleGydF4y2Ba

本文介绍了视觉损害的精神级别的完整设计。它使用了GydF4y2BaADXL312GydF4y2Ba加速度计测量水平和垂直平面中的重力，并在加速度计正常水平或垂直时发出蜂鸣器。GydF4y2Ba

它也可以作为倾斜传感器水平，说，拖车在汽车应用的精神水平可能位于一个地方远离骑师车轮。它还被用作汽车稳定系统或无人机的子电路。GydF4y2Ba

介绍GydF4y2Ba

Amar Latif在出现后导致英国烹饪场景造成搅拌GydF4y2Ba名人Masterchef.GydF4y2Ba。然而，阿玛尔不仅是一个好厨师，他还经营着自己的旅游公司，是一个励志演说家，徒步穿越了南美洲的大部分地区，还是一个电视名人。这个人的超能力无止境吗?GydF4y2Ba

可悲的是,有。阿玛尔95%的眼睛都瞎了。随着技术的进步，世界也在努力跟上技术的发展，对于视障人士来说，这场战斗更加艰难。大多数科技的进步都要求我们花更多的时间在屏幕前。对于视障人士来说，过多的屏幕时间仍然是一种“如果”。GydF4y2Ba

如果技术可以用来丰富那些用视线障碍的人的生活，这只能是一件好事。只有18％的登记盲人完全失明（或“黑盲”），即使他们无法区分细节，这也是至少一些视线的绝大多数。因此，盲人的精神水平的想法出生。GydF4y2Ba

设计大纲GydF4y2Ba

倾斜传感器设计基于ADXL312，这是一个低电流加速度计，可测量高达±1.5GydF4y2BaGGydF4y2Ba在x，y和z轴上，通过SPI总线读出数据。该部件可在5 mm×5mm封装中提供，并在待机模式下消耗0.1μA。它测量为10位分辨率，因此ADXL312可以检测到低至±2.9米的变化GydF4y2BaGGydF4y2Ba在每个轴上。ADXL312将每个轴的重力数据存储为两种补充值，高达±511，微控制器读取和显示在单线16个字符的LCD显示屏上。图1显示了ADXL312的感测轴。GydF4y2Ba

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图1. ADXL312的感测轴。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

该部件在1.5时具有全面读数GydF4y2BaGGydF4y2Ba，所以引力1GydF4y2BaGGydF4y2Ba给出了一个阅读GydF4y2Ba^2GydF4y2Ba/GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba这一点。因此，如果ADXL312是完全水平的，则z轴寄存器应该读取GydF4y2Ba^2GydF4y2Ba/GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba而x轴和y轴的读数应该为零。同样，当ADXL312完全垂直时，x轴读数应该是垂直的GydF4y2Ba^2GydF4y2Ba/GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba满量程，而Y和Z轴应读取零。如果ADXL312开始向任何轴倾斜，则根据倾斜角度的正弦，在另一个轴上开始增加的读数开始增加，最大读数开始减小。GydF4y2Ba

在ADXL312GydF4y2Ba

ADXL312是一个微电子机械系统(MEMS)由一个多晶硅表面微机械结构建立在硅片上。多晶硅弹簧悬浮在晶圆片表面的结构，并提供一个抵抗加速度的阻力。GydF4y2Ba

固定硅手指在移动式质量上交错，以产生可以测量其特性的差分电容器。加速度偏转光束并使差分电容器不平衡，导致传感器输出，其幅度与加速度成比例。结构如图2所示。GydF4y2Ba

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图2. ADXL312的内部工作。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

可以使用i20可以解决ADXL312GydF4y2Ba^2GydF4y2BaC或SPI，以及X，Y和Z数据存储在六个内部8位寄存器中。它还具有许多其他功能，包括32级FIFO，两个多功能中断，偏移寄存器，机械自检和自动睡眠模式。GydF4y2Ba

精神级设计GydF4y2Ba

倾斜传感器的完整电路图如图3所示。GydF4y2Ba

ADXL312具有3.6V的最大电源电压，而LCD显示器和蜂鸣器需要5 V，因此电路的主输入为5V，使用3.3 V，150 mA线性调节器（GydF4y2BaADP121GydF4y2Ba）为ADXL312，微控制器和E2存储器供电。GydF4y2Ba

MicrocoCroller上的POR B，PIN 2（CAL PIN）由10kΩ电阻拉高。它还具有跳线，使其能够连接到地面。在启动时，微控制器询问CAL引脚的状态，如果该引脚被跳线拉低，则读取x，y和z寄存器，从零中减去这些读数，然后将结果加载到内部偏移寄存器中ADXL312以及将它们存储在外部E2存储器中，25AA040。ADXL312自动将偏移寄存器的读数添加到任何未来的无需处理器交互的测量，从而删除校准的偏移。GydF4y2Ba

如果拆除跳线，则将CAL引脚拉高并绕过校准程序。偏移读数直接从E2存储器读取并加载到ADXL312的偏移寄存器中。因此，在制造期间，可以将校准夹具安装在校准夹具中，并且可以校准设备，并且存储在E2存储器中的偏移值。校准后，移除跳线并在随后的电动机上，询问E2存储器，并将校准的偏移读数加载到ADXL312的偏移寄存器中。GydF4y2Ba

然后，软件执行每个轴的八个读数，并且结果平均，然后在16个字符的LCD显示器上显示。显示每100毫秒更新显示。GydF4y2Ba

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图3.视觉损害的精神水平的完整原理图。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

图4显示，当每个传感器接近其零读时，实现了最大灵敏度。这是正弦波斜率处于陡峭最陡的地方，从而给出了倾斜变化的重心读取的最大变化。GydF4y2Ba

图4。显示重力随角度的正弦变化。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

幸运的是，当每个传感器完全水平时，幸运的水平只需要测量倾斜，并且传感器读数接近零。GydF4y2Ba

写入该软件以启用X和Z轴一次立即校准。很容易将零件放在水平平台上并校准倾斜传感器的X轴。但是，此时Z轴将遇到1的力GydF4y2BaGGydF4y2Ba，需要采取Z读数，与1的全规模计数相比GydF4y2BaGGydF4y2Ba，以及加载到偏移寄存器的任何错误。倾斜传感器的每个轴的更精确的校准可以通过在水平面和垂直线上的校准来实现，但这需要两个阶段的校准和对软件的修改。GydF4y2Ba

表1显示了两个的补码数据的示例。正数采用传统的二进制记数法。负数使用最高有效位(MSB)作为符号位;因此，正数的MSB等于0，负数的MSB等于1。GydF4y2Ba

通过反转所有位，然后加入1.因此，可以找到两个正数的补码。因此，当从零的计数转换到-1的计数时，代码从000000 0000到11 1111 1111改变。GydF4y2Ba

该软件读取X和Z寄存器，如果寄存器的值为0或1023（11 1111 1111），则设置端口B，位5高，这导通晶体管Q1并发出5 V蜂鸣器。当倾斜传感器完全水平时，X轴具有0或1023的读数，并且当完全垂直时，Z轴具有0或1023的读数。只有在两个寄存器不等于0或1023时蜂鸣器停止发出声音。GydF4y2Ba

准确性及进一步发展GydF4y2Ba

考虑到只有一个轴，最大读数为1GydF4y2BaGGydF4y2Ba当重力沿着那个轴作用时，这个读数减小到0GydF4y2BaGGydF4y2Ba随着部分倾斜90°，如图5所示。GydF4y2Ba

图5.使用引力读数计算倾斜角度。（资料来源：模拟设备）GydF4y2Ba

因此，施加的引力由等式决定GydF4y2Ba

其中Ø是相对于水平测量的倾斜角度。如果部分可以测量到2.9米的分辨率GydF4y2BaGGydF4y2Ba然后，它可以解析到0.17°的角度。由于泡沫的确切位置很难确定，难以确定标准泡沫水平的准确性的数字。然而，从实验中，1.2米的精神级别的末端可以移动约3.2毫米（两个未填充的PCB的宽度！）在泡沫看起来偏离中心之前。这相当于约0.15°的角度，表明我们可以用电子倾斜传感器替换气泡精神水平，该电子倾斜传感器具有很小的分辨率。GydF4y2Ba

如果需要更准确，则GydF4y2BaADXL313GydF4y2Ba提供超过1克比例的11位分辨率。接口和寄存器集与ADXL312的界面类似，因此软件不需要太大修改。这GydF4y2BaADXL355GydF4y2Ba提供更低的噪音和更高分辨率。GydF4y2Ba

ADXL312的噪声密度为340 μGydF4y2BaGGydF4y2Ba/√Hz，带宽越低，噪音越好。部分的带宽是可编程的（从3.125Hz到1600 Hz，默认设置为50 Hz）。虽然减少带宽提高了噪声，但这还将降低显示器的更新速率。对于这种设计，带宽设定为6.25 Hz，这意味着RMS噪声为850μGydF4y2BaGGydF4y2Ba。噪声也可以通过获取更多读数并将其平均来降低。GydF4y2Ba

进一步的改进是具有显示学位的LCD读数。但是，如果要包含在软件中的SINE和余弦，则需要在C库中使用数学函数。这些功能占用了太多的低端微控制器的代码空间。可以使用Taylor系列扩展实现对正弦功能的近似近似，这应占用相当大的码空间。GydF4y2Ba

结论GydF4y2Ba

ADXL312提供了一种低成本的电子倾斜测量系统，易于与低端微控制器接口。前面描述的设计已经证明，它可以匹敌传统的气泡酒精水平的准确性，但与电子接口。这使得它可以作为子系统用于需要测量倾角的大型设计，如拖车调平系统、稳定控制系统和无人机。万博投注网址GydF4y2Ba

更重要的是，它可以用来增加视障人士的独立性，本文展示了一个完整的系统级设计，包括硬件、软件、非易失性存储器，以及音频和视觉输出。GydF4y2Ba

西蒙荆棘GydF4y2Ba1991年毕业于伦敦布鲁内尔大学，获得电气工程和电子学学位，主修模拟电子和电力。他的职业生涯一直致力于模拟电子和线性技术(现在是模拟设备的一部分)。可以通过以下方式联系到他GydF4y2Basimon.bramble@analog.com.GydF4y2Ba。GydF4y2Ba