高 嬋,杜國(guó)平

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京 210094)

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基于三軸加速度計(jì)的橋涵防碰撞報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

高 嬋,杜國(guó)平*

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,南京 210094)

設(shè)計(jì)了一種基于三軸加速度計(jì)ADXL345的橋涵防碰撞報(bào)警裝置,它能夠及時(shí)檢測(cè)橋涵限高門架的碰撞及傾斜情況,并將碰撞信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端。將裝置安裝在限高門架上,一旦碰撞加速度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定閾值,加速度計(jì)產(chǎn)生中斷信號(hào),微控制器聯(lián)網(wǎng)報(bào)警。由于裝置安裝環(huán)境的特殊性,系統(tǒng)必須是一個(gè)無(wú)源系統(tǒng)。電能依靠鋰電池提供,為延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用周期,采用太陽(yáng)能充電。為進(jìn)一步減少系統(tǒng)能耗,對(duì)電源模塊進(jìn)行管理。電源模塊的設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)能穩(wěn)定持久地運(yùn)行。

三軸加速度計(jì);碰撞;傾斜;無(wú)源系統(tǒng);太陽(yáng)能充電

近年來(lái),鐵路和公路的迅速發(fā)展極大地方便了人們的日常生活,然而頻發(fā)的交通事故也帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅[1]。鐵路橋涵已經(jīng)安裝了限高門架,但是仍有車輛強(qiáng)行通過(guò)的情況發(fā)生,被撞傾斜的門架存在極大的安全隱患,可能會(huì)給后續(xù)通行車輛帶來(lái)二次傷害從而引發(fā)交通事故甚至影響鐵路的正常運(yùn)行。為保證橋涵和車輛人員的安全和鐵路公路的正常運(yùn)行,在限高門架上安裝防碰撞報(bào)警裝置有著極大的意義。

本系統(tǒng)采用三軸加速度計(jì)代替傾角傳感器來(lái)測(cè)量碰撞力和傾角。ADXL345加速度計(jì)是一種微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)的新型全固態(tài)加速度計(jì),相比傳統(tǒng)的加速度計(jì)具有體積小、重量輕、可靠性高、功耗低、易于數(shù)字化及智能化等一系列優(yōu)點(diǎn),而廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車等領(lǐng)域[2]。另外,ADXL345內(nèi)置的中斷系統(tǒng)可以在滿足一些特定條件時(shí)向微處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求。這樣就大大簡(jiǎn)化了算法的復(fù)雜性,也減輕了微處理器的工作負(fù)擔(dān)[3]。因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于ADXL345加速度計(jì)的防碰撞報(bào)警系統(tǒng)。

本系統(tǒng)為無(wú)源系統(tǒng),采用兩塊鋰電池供電,并且對(duì)電源進(jìn)行管理。另一方面采用太陽(yáng)能充電系統(tǒng)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電,保證系統(tǒng)不會(huì)因電量不足導(dǎo)致報(bào)警失靈,造成事故,并且延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命,避免了更換電池帶來(lái)的不便和開(kāi)銷。

1 總體設(shè)計(jì)

橋涵報(bào)警裝置主要由前端加速度采集模塊、控制模塊、電源管理模塊以及GPRS模塊等組成。電源管理電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能和鋰電池供電無(wú)縫切換、鋰電池的過(guò)充過(guò)放保護(hù)、主電池和備電池自動(dòng)切換等功能。本系統(tǒng)以嵌入式芯片MKL14Z64VFT4作為核心控制器件,系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

未發(fā)生碰撞情況下,控制器及GPRS模塊斷電,利用外接RTC的鬧鐘功能產(chǎn)生中斷信號(hào)(低電平有效)為系統(tǒng)上電,進(jìn)行系統(tǒng)自檢;發(fā)生碰撞時(shí),若碰撞加速度大于所設(shè)定的閾值6 g時(shí)產(chǎn)生中斷,系統(tǒng)上電,計(jì)算傾斜角,開(kāi)啟GPRS模塊,將信息發(fā)送給遠(yuǎn)程控制中心。由于加速度計(jì)存在零點(diǎn)溫度漂移現(xiàn)象,需要采集加速度計(jì)的溫度進(jìn)行補(bǔ)償,串口通信模塊用于調(diào)試。

1.1 加速度計(jì)測(cè)量原理

ADXL345模塊上電后,加速度使慣性質(zhì)量偏轉(zhuǎn)、差分電容失衡,使傳感器輸出與加速度成正比的電壓值[4]。模塊對(duì)得到的電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字濾波,再存入DATAx、DATAy、DATAz(地址為0x32～0x37)寄存器,依次保存X、Y、Z軸低、高有效字節(jié)。ADXL345不直接測(cè)量?jī)A斜角度,而是通過(guò)測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)下X、Y、Z三軸的加速度,利用重力加速度與其在三軸加速度傳感器的X、Y、Z三軸的分量關(guān)系,計(jì)算各軸與重力加速度的夾角,從而得出系統(tǒng)與自然軸的傾角[5-6]。重力加速度在三軸的分量與傾角關(guān)系如圖2所示,由此可推導(dǎo)出傾角解算公式[7]:

(1)

(2)

(3)

其中,AX、AY、AZ為重力加速度在X、Y、Z三軸的分量。

圖2 ADXL345三軸加速度分量與傾角關(guān)系

1.2 電源管理方案

由于橋涵報(bào)警裝置安裝在限高門架上,故采用鋰電池和太陽(yáng)能電池結(jié)合的供電方案,兩者實(shí)現(xiàn)無(wú)縫轉(zhuǎn)換,有太陽(yáng)光時(shí)太陽(yáng)能電池板給鋰電池充電并給負(fù)載供電,系統(tǒng)各個(gè)模塊都保持上電;無(wú)太陽(yáng)光時(shí),由鋰電池供電,此時(shí)只有加速度計(jì)和外接RTC芯片DS3231上電,MCU和GPRS模塊斷電。若有碰撞產(chǎn)生,則產(chǎn)生中斷,開(kāi)啟MCU和GPRS模塊電源,聯(lián)網(wǎng)報(bào)警之后系統(tǒng)斷電。這樣一來(lái),在實(shí)現(xiàn)防碰撞報(bào)警功能的同時(shí)最大限度的節(jié)省電能。

兩塊鋰電池電壓為均為4.2 V,容量均為5 AH。系統(tǒng)每分鐘自檢,兩塊電池能保證系統(tǒng)在無(wú)太陽(yáng)能充電情況下連續(xù)149天正常工作,充分滿足了極端天氣下的工作時(shí)長(zhǎng)需求。

2 硬件設(shè)計(jì)

為節(jié)省電能,對(duì)系統(tǒng)功耗要求很嚴(yán)格,因此在硬件選型上,盡量選用低功耗的器件。加速度計(jì)芯片ADXL345具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功耗的功能,與輸出數(shù)據(jù)速率成正比[8]。此外,在靜止期間ADXL345會(huì)自動(dòng)切換到休眠模式,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步省電。主控制器選用飛思卡爾公司Kinetis系列MKL14Z64VFT4微控制器,它基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核,是目前市場(chǎng)上最節(jié)能的微控制器,靜態(tài)功耗低至1 μA[9]。

2.1 加速度計(jì)硬件電路

加速度計(jì)模塊是由ADXL345和去耦電容組成,硬件電路如下圖3所示。

圖3 加速度計(jì)電路

加速度計(jì)ADXL345采用+3.3 V典型電壓供電,由鋰電池提供,保證不論有無(wú)太陽(yáng)能,加速度計(jì)都能正常工作。電源引腳VDD端加0.1 μF的陶瓷電容和1 μF/10 V的鉭電容用于消除噪音。

2.2 電源管理硬件電路

電源模塊由前端太陽(yáng)能光伏板、升降壓電路和鋰電池充放電管理電路以及DC-DC直流變換電路組成,如下圖4所示。

圖4 電源電路

選用多晶硅材質(zhì)的太陽(yáng)能光伏板,保證功率輸出的穩(wěn)定性和持久性。根據(jù)產(chǎn)品的尺寸大小以及負(fù)載功率大小選擇工作電壓為+9 V、功率為3 W的光伏板,通過(guò)升降壓電路將采集到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的+4.8 V直流電壓,升降壓芯片選用TI公司的TPS63060,輸入電壓范圍為+2. 5V～+12 V,結(jié)合太陽(yáng)能電池板輸出電壓范圍,升降壓電路的有效電壓輸入為+2.5 V～+9 V,保證最大限度地提高太陽(yáng)能的利用效率。

充電管理電路采用TI公司的BQ24075,其特有動(dòng)態(tài)電源路徑管理(DPPM),可在為系統(tǒng)負(fù)載供電的同時(shí)獨(dú)立地為電池充電,且?guī)в蠸YSOFF輸入的電池?cái)嚅_(kāi)功能[11]。本文將ADXL345和外接RTC鬧鐘中斷引腳接至此引腳,滿足了正常情況下控制器斷電以及太陽(yáng)能和電池供電無(wú)縫切換的要求。系統(tǒng)采用兩塊鋰電池供電,其中一塊留作備用,防止主電池沒(méi)電系統(tǒng)掉電。無(wú)太陽(yáng)能情況下,優(yōu)先采用主電供電,若主電沒(méi)電,則自動(dòng)啟用備用電池供電;有太陽(yáng)能時(shí),優(yōu)先給備用電池充電,保證備用電池電能充足,給系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。利用三極管組合開(kāi)關(guān)門電路實(shí)現(xiàn)主電池和備電池自動(dòng)切換。

系統(tǒng)控制器及外圍器件用電電壓分別為+3.3 V和+4 V,其中+3.3 V分為CY3.3 V和MCU3.3 V,前者給加速度計(jì)和外接RTC芯片供電,不能掉電,由鋰電池直接提供;后者給控制器供電并轉(zhuǎn)換得到+4 V電壓,可掉電,由太陽(yáng)能或者鋰電池提供。

為防止長(zhǎng)時(shí)間陰雨天氣兩塊電池電量耗盡對(duì)電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞,設(shè)計(jì)過(guò)放保護(hù)電路,采用電壓檢測(cè)器HT7033A,檢測(cè)到電池電壓VBAT<+3.3 V時(shí),輸出低電平至VDD/+3.3 V轉(zhuǎn)換芯片SPX3819M5-L-3.3使能腳EN(高電平有效),禁能電壓轉(zhuǎn)換,斷開(kāi)負(fù)載,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、加速度采集、傾角解算、溫度采集及補(bǔ)償、外部RTC鬧鐘設(shè)置、串口通信、電源管理、GPRS通信等。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件總體流程圖

3.2 SPI通信

ADXL345作為從機(jī)通過(guò)SPI與MCU進(jìn)行通信,圖6是ADXL345四線式SPI的時(shí)序圖。時(shí)序方案按照時(shí)鐘極性(CPOL)=1、時(shí)鐘相位(CPHA)=1執(zhí)行[12],即SCLK下降沿時(shí)更新數(shù)據(jù),SCLK上升沿時(shí)進(jìn)行采樣。

圖6 四線SPI讀寫時(shí)序

3.3 ADXL345初始化

MCU上電時(shí),要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、MCU端口初始化、外圍芯片初始化等。這里主要介紹ADXL345的初始化。ADXL345有2種工作模式:查詢模式和中斷模式。當(dāng)系統(tǒng)自檢時(shí)設(shè)置為查詢模式,發(fā)生碰撞時(shí)為中斷模式,故每次斷電之前都要將其設(shè)置為中斷模式,這樣發(fā)生碰撞時(shí)才會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)開(kāi)啟MCU電源。

ADXL345中斷模式初始化設(shè)置為測(cè)量模式工作,四線式SPI通信,低電平有效的終端輸出,13位全分辨率模式,輸出數(shù)據(jù)右對(duì)齊,±16 g量程,采樣頻率為100 Hz,使能X、Y、Z三軸Activity中斷,閾值設(shè)置為6 g,模式為AD-coupled,即直接將三軸的加速度值與6 g相比,任何一個(gè)軸加速度值超過(guò)閾值,都會(huì)產(chǎn)生中斷,并將其映射到INT1引腳。查詢模式除了禁能中斷之外,其他寄存器配置與中斷模式一致。

3.4 加速度及傾角處理

在本系統(tǒng)中,加速度計(jì)的性能的優(yōu)劣直接影響到報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。加速度計(jì)測(cè)量輸出誤差主要來(lái)源于制造工藝、安裝方法、外部環(huán)境等方面,其中環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量輸出的影響尤為突出[13]。為提高精度,將讀取的加速度值進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償之后計(jì)算得到傾角值。傾角處理流程如下圖7所示。

圖7 傾角處理流程圖

①讀取溫度。溫度采集芯片DS18B20工作溫度范圍是-40 ℃～85 ℃,首先判斷是否在這個(gè)范圍內(nèi),若不在,溫度值小于-40 ℃以-40 ℃為當(dāng)前溫度,大于85 ℃以85 ℃為當(dāng)前溫度?？紤]到系統(tǒng)的健壯性,當(dāng)裝置處于極端溫度條件下傾角計(jì)算值仍有較高的準(zhǔn)確度[14]。

②讀取加速度值。加速度采樣頻率為100Hz,即每10 ms采集新的加速度值存到DATAx、DATAy、DATAz寄存器中,為了防止在更新數(shù)據(jù)時(shí)采樣,產(chǎn)生差錯(cuò),將三次采樣得到的加速度值比較,取其中至少兩次相同的加速度值作為一次采樣的有效結(jié)果。

③數(shù)字濾波。為消除采集過(guò)程中的噪聲等意外因素的干擾,本設(shè)計(jì)對(duì)加速度值進(jìn)行數(shù)字濾波,選擇遞推平均濾波算法,求得50次采樣平均值作為最終的加速度值輸出。

④零點(diǎn)補(bǔ)償。本系統(tǒng)安裝在限高門架上,門架不能保證絕對(duì)水平,且每個(gè)門架的傾斜角度有所不同,故裝置安裝完畢,安裝人員確定安裝正確后,將此時(shí)的位置設(shè)為相對(duì)水平位置,按下按鍵,將第1次采集到的加速度值作為零點(diǎn)補(bǔ)償值,即相對(duì)于水平靜止時(shí)有6 g的加速度增量則認(rèn)為是一次有效碰撞產(chǎn)生。

⑤溫度補(bǔ)償。溫度對(duì)加速度計(jì)的影響直接表現(xiàn)為加速度值的零點(diǎn)漂移,故此時(shí)需要對(duì)加速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。將裝置進(jìn)行高低溫試驗(yàn),用算法采集溫度及其加速度偏移量。補(bǔ)償值為實(shí)驗(yàn)測(cè)得值與實(shí)際值之差,這里要以當(dāng)前測(cè)得值減去補(bǔ)償值得到實(shí)際值[14]。

⑥傾角解算:經(jīng)過(guò)以上5步處理之后根據(jù)1.1節(jié)式(1)、(2)、(3)得到裝置3個(gè)方向的傾角,單位為度。

將裝置置于相對(duì)水平位置,固定,進(jìn)行碰撞測(cè)試,測(cè)得校正前后加速度值和傾斜角如圖8所示。

圖8 加速度和傾斜角輸出波形

由圖8可以看出,裝置的安裝位置并不是絕對(duì)水平的,其水平方向有加速度分量,即有一定的傾斜角度。為避免誤差對(duì)測(cè)量精度的影響,將安裝位置看作相對(duì)水平面,將初始靜止時(shí)的加速度值作為補(bǔ)償值,補(bǔ)償之后,在相對(duì)位置的誤差基本趨于0,提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于加速度計(jì)ADXL345的橋涵防碰撞報(bào)警裝置,其硬件方面電路連接簡(jiǎn)單,接口豐富,具有極大的靈活性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)在器件選擇上盡可能選用低功耗器件,滿足系統(tǒng)節(jié)能省電的要求。此外,設(shè)計(jì)電源管理電路,使得靜止常態(tài)下,系統(tǒng)除加速度計(jì)和RTC芯片之外全部斷電,當(dāng)自檢時(shí)間到或者發(fā)生碰撞時(shí)才上電,鋰電池結(jié)合太陽(yáng)能的供電方式不僅綠色環(huán)保,而且大大地延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命,提高了系統(tǒng)的可靠性。軟件方面著重介紹了四線式SPI時(shí)序、讀寫操作、加速度值和傾角處理程序,具有良好的可移植性和健壯性。經(jīng)驗(yàn)證,此裝置能實(shí)時(shí)檢測(cè)加速度值及傾角變化,并且具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

[1] 徐葉雷,方勇. 基于MEMS加速度計(jì)的車用自動(dòng)呼救系統(tǒng)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(6):887-892.

[2]范成葉,李杰,景增增. 旋轉(zhuǎn)彈用三軸加速度計(jì)安裝位置誤差標(biāo)定補(bǔ)償技術(shù)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(10):1352-1356.

[3]秦瑀陽(yáng). 老年人跌倒檢測(cè)報(bào)警裝置的研究與設(shè)計(jì)[D]. 大連:大連海事大學(xué),2013.

[4]徐曉翔,陳文薌,葉軍君. 基于三軸加速度傳感器的傾角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 傳感器世界,2012,(7):32-36.

[5]段曉敏,李杰,劉文怡. 基于MEMS加速度計(jì)的數(shù)字傾角測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(8):71-72.

[6]袁西,陳棟,田湘,等. 三軸數(shù)字加速度計(jì)ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(3):138-140.

[7]唐立軍,滕召勝. 電子秤傾角自動(dòng)檢測(cè)與稱量誤差補(bǔ)償方法研究[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2011,25(1):61-67.

[8]Analog Devices,Inc. ADXL335 Data Sheet[EB/OL]. http://www. analog. com/static/imported-files/data_sheets/ADXL345. pdf,2013-02.

[9]Freescale Semiconductor,Inc. KL15 Sub-Family Reference Manual[EB/OL]. http://cache. freescale. com/files/32bit/doc/data_sheet/KL15P80M48SF0. pdf?fasp=1&WT_TYPE=Data%20Sheets&WT_VENDOR=FREESCALE&WT_FILE_FORMAT=pdf&WT_ASSET=Documentation&Parent_nodeId=1339526302470713736032&Parent_pageType=product&Parent_nodeId=1339526302470713736032&Parent_pageType=product,2014-03.

[10]Tomoaki Tusuzki,ADXL345 Quick Start Guide[EB/OL]. http://www. analog. com/static/imported-files/application_notes/AN-1077. pdf,2010.

[11]Texas Instruments,Inc. BQ24075 Data Sheet[EB/OL]. http://www. ti. com. cn/cn/lit/ds/symlink/bq24072. pdf,2014-1.

[12]Christopher J Fisher. Using an Accelerometer for Inclination Sensing[EB/OL]. http://www. analog. com/static/imported-files/application_notes/AN-1057. pdf,2010.

[13]張麗杰,常佶. 一種MEMS加速度計(jì)溫度模型辨識(shí)及溫度補(bǔ)償方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2011,24(11):1551-1555.

[14]顧中林. 移動(dòng)式起重機(jī)姿態(tài)安全傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京:南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,2009.

高嬋(1989-),女,漢,遼寧省瓦房店市人,碩士研究生,專業(yè)為控制工程,研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā),gaochan_gxc@163.com;

杜國(guó)平(1959-),男,高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制等,dgp@mail.njust.edu.cn。

DesignofBridgesandCulvertsAnti-CollisionAlarmDeviceBasedonThree-AxisAccelerometer

GAOChan,DUGuoping*

(College of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

The paper has designed a anti-collision alarm device based on three-axis accelerometer ADXL345. It can detect collision and incline situation of bridges’ and culverts’ height-limit portals and send the information to the remote monitoring terminal. The device is installed on the height-limit portals,once the crash acceleration exceeds the setting threshold,the accelerometer generates interrupt signal to drive the microcontroller connect to the network and give an alarm. Due to the special nature of the device installation environment,the system must be a passive system. The power is provided by the lithium battery which can also be charged by solar energy,at the same time the power module is managed to reduce the energy consumption further. This design of power module ensures stable and lasting operation.

three-axis accelerometer;collision;incline;passive system;solar charging

2014-05-06修改日期:2014-07-17

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.005

TP212.9

:A

:1004-1699(2014)09-1178-05