基于加速度传感器MMA7260QT的自动摇篮的设计

      引言

      照顾小宝宝是非常劳累的事情，因为他们醒来和睡觉都比较频繁，加之喂食换衣服等活动，会占用大人大量的时间和精力。摇篮的诞生在很大程度上减轻了大人的负担，但仍有很多不尽如人意的地方。

      利用动作（加速度）传感器和功能丰富的单片机，则可以设计出一种相对智能化的摇篮。

      背景

      现在市面上的电动摇篮仅有简单的定时功能，因此不能针对婴儿的活动发生动作，若摇篮一直摇动，对婴儿的安抚作用就会降低。采用声音触发的自动摇篮，缺点是婴儿先是活动，得不到安抚则会哭闹，摇篮才会启动进行安抚；另外如果因为别的原因哭闹，摇篮则不能起到安抚作用。所以根据婴儿的活动来启动摇篮是比较妥当的控制方式。飞思卡尔的加速度传感器性能，成本较低，适合这样的应用。

      自动摇篮的原理

      本系统采用飞思卡尔MC9S08QG8单片机作为控制器，使用飞思卡尔加速度传感器MMA7260QT判断婴儿的活动情况，同时用麦克风检测婴儿哭闹的声音作为辅助判断，然后根据设置启动摇篮摇动。人机界面由键盘和点阵液晶显示器组成。

      测量运动的方法

      加速度传感器测量运动和动作有很多算法，本系统中由于摇篮的活动方向是二维的，而且主要是其中的一维（所以采用一维加速度传感器也可以），运动情况单一，场合也不复杂，所以采用简单的阈值判断的方法即可实现。阈值代表着灵敏度，可由用户根据实际情况选择。

      触摸按键的实现

      触摸按键是近年比较流行的技术，由于MC9S08QG8单片机有很低的端口漏电流和强大的键盘中断功能，所以不需增加其它有源器件即可实现。而且本系统使用两个端口即可提供三个按键的功能。

      使用PCB焊盘作为触摸按键，和地之间构成一个小电容C1（没有手指触摸时），按键通过大阻值电阻R1接地。单片机端口平时输出高电平，检测按键时则为键盘中断，随着C1上的电荷通过R1流失，电平逐渐降低直至引起键盘中断，从开始检测到引起键盘中断的时间为T1，当有手指触摸时相当于在C1上并了一个电容，因此电容值变成C2，则从开始检测到引起键盘中断的时间为T2，通过检测T1、T2的差别即可判断按键按下，如图1。

      假设按键1的电容为C1，按键2的电容为C2，则如果C1增加C2不变，则按键1按下，如果C2增加C1不变，则按键2按下，如果C1、C2都增加相似的数值，则可判断为按键3按下。PCB上按键3位于按键1和按键2之间。这样就实现了两个端口判断三个按键的功能。

      PWM脉宽调制驱动电机

      使用脉宽调制（PWM）的方式驱动电机来实现调速，可以给用户选择3档摇动速度，也可以实现软启动和软停止。

      液晶显示

      使用3V串口液晶显示模块，用单片机SPI口驱动，实现简洁高效的显示界面。

      飞思卡尔MC9S08QG8单片机

      本系统使用MC9S08QG8作为控制器，其高度集成的功能和灵活的端口控制大大简化了系统设计和成本，本系统主要用到了以下功能：

      高速CPU和大容量的Flash和RAM存储器
      内置的时钟
      2通道10位AD转换器
      2个键盘中断输入端口
      PWM输出功能
      高速SPI接口
      飞思卡尔MMA7260QT三轴加速度传感器
     

      系统使用新的MMA7260QT三轴加速度传感器作为主要传感器，内部信号调理，内置滤波，量程可选，性能稳定可靠，设计起来相当简洁方便。

      加速度测量部分

      传感器设置为的量程，输出经过电阻电容滤波然后进入单片机AD输入，如图4。

      键盘电路

      键盘电路十分简单，端口到地接2M电阻即可，触摸键盘的PCB设计要兼顾三键判断，故采用如图5设计。

      电机驱动

      单片机输出PWM脉宽调制信号，然后通过驱动电路驱动电机。

      麦克风输入

      麦克风输入经放大后通过二极管整流到电容上，此电压进入单片机AD转换器。

      音乐播放

      音乐源使用专用音乐IC，功率放大器使用国家半导体的LM4874芯片，具有4级电子音量调节功能，本系统只需单声道即可。

      液晶显示

      采用3.3V串行液晶显示模块，128X64点阵，单片机通过SPI端口直接相连。

      外围其他电路

      电源经220V转为5V然后经LM1117-3.3稳压成3.3V输出给系统电路使用，5V电压还用来驱动电机。

      系统软件

      系统软件完成以下功能：

      根据设置参数定期检测摇篮状态。
      定期对键盘中断引脚检测充放电时间。 
       驱动液晶显示器显示相关参数、菜单。
      根据参数驱动摇篮播放音乐。
     

       检测摇篮状态
     

      以10Hz的频率检测加速度传感器，定时器中断程序启动AD转换器，主程序中检测到AD转换完成则把结果保存起来，通过和零值比较，如果大于阈值，则认为婴儿活动，根据设置参数启动电机、音乐。

      键盘检测

      以20Hz的频率扫描键盘，定时器中断程序把相应引脚置为输入，允许键盘中断。引脚放电引起键盘中断，保存中断时的定时器数值，然后退出。主程序等两个按键引脚都扫描完毕保存了放电时间后，调用键盘处理程序分析，得到按键结果。

      液晶显示器驱动

       液晶显示器使用SPI口送数据，根据按键结果相应调整液晶显示的内容。

       摇篮驱动和音乐播放
       

        驱动摇篮时，根据设置参数启动PWM输出，同时记录时间，到参数规定的时间后缓慢停止摇篮（减少PWM占空比）。

     功放音量根据参数设置，触发音乐IC播放音乐。

      其他辅助程序

      根据软件需要，设置定时器中断和变量time_to_1s，当变量中数值达到1S后重置变量。

     程序结构
     主程序流程如图6

      主要子程序：

      void MCU_init(void) 单片机初始化
      void lcd_init(void)点阵液晶显示初始化，显示待机画面。
      void lcd_menu(unsigned char)菜单显示子程序
      void acc_t(void)加速度检测子程序
      unsigned char key_calc(void)键盘处理子程序，返回键盘值。
      全局变量key_start_time保存放电开始时间key_a、key_b保存两个按键放电时间。
      Prog_state保存程序运行状态。Sys_set保存系统设置。
     

      菜单可调节参数：
      摇篮状态：自动，手动开，手动关。
      摇动时间：1，3，5，10，30，60，120分钟。
      摇动速度：快速，中速，慢速，关闭。
      宝宝动作灵敏度：高，中，低。 
      声音灵敏度：高，低。
      音乐音量：高，中，低，关闭。

参考文献:

[1]. MC9S08QG8 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC9S08QG8_210870.html.
[2]. MMA7260QT datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MMA7260QT_2030590.html.
[3]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[4]. LM4874 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM4874_764309.html.