三轴加速度传感器使用说明.doc

三轴加速度传感器模块使用说明
概述
H48C三轴加速度传感器能测量在三个轴（X、Y、Z）方向上的±3g的加速度值，模块板载一个自动负载调节器，为H48C提供3.3V的电源，H48C输出的模拟信号（电压）由模块上的MCP3204（四通道，12-bit）读取并转换为数字信号输出。
特点
l 测量范围±3g（每个轴）
l 使用MEMS (微型机电系统) 技术，实现自动补偿
l 板载自动负载调节器，和高解析度的ADC
l 体积小巧：0.7" x 0.8" (17.8 mm x 20.3 mm)
l 工作温度范围广-25° to 75° C
基本连线图
H48C连接到C51上只需要直接选择任意三个脚连接连接即可，如图1

图 1
* 与单片机连接的引脚可以任意选择
工作原理
通过MEMS技术，和内置的补偿H48C加速度传感器通过MCP3204模数转换器实现同步输出，要获取指定轴加速度的值，实际上是读取指定轴的电压在通过下面的公式计算出加速度的值，公式如下：
G = ((axis – vRef) / 4095) x (3.3 / 0.3663)
在这个公式中axis和 vRef表示通过AD转化得到的计数值，4095是一个12-bitADC的最大计数输出，3.3是H48C提供给内部的电压，0.3663是加速度1g的时候H48C输出的电压。我们可以把公式简化成如下表达式。
G = (axis – vRef) x 0.0022

引脚的定义以及说明
（1）CLK 同步时钟输入
（2）DIO 双向数据/从主机通信
（3）Vss 电源地（0V）
（4）Zero-G “自由落体”输出，
高电平有效
（5）CS\ 片选信号，低电平有效
（6）Vdd 电源+5v

标号
说明
最小
典型
最大
单位
VDD
工作电压
4.5
5.0
5.5
V
VSS
地连接

0

V
IDD
工作电流

7
10
Ma
VIH
高电压输入
0.7 VDD

V
VIL
低电压输入

0.3 VDD
V
VOH
高电压输出
4.1

V
VOL
低电压输出

0.4
V

采样率

200
Sps

ADC（MCP3204）分辨率
12
Bit

测量范围
-3

+3
g

敏感度

366.3

mV/g

精度
10

%

非线性度
-2

+2
%

工作温度范围
-25

75
℃

Zero-G输出高电平
3.2
3.3

V

Zero-G输出延时

1
ms
确定H48C的 XY、Z 轴如下图

关于MCP3204
Microchip 的 MCP3204/3208 器件是具有片上采样和保持电路的12 位逐次逼近型模数（Analog-to-Digital，D）转换器。MCP3204可被编程为提供 2组伪差分输入对或4个单端输入。MCP3208可被编程为提供 4组差分输入对或 8 个单端输入。它使用与SPI 协议兼容的简单串行端口与器件通信。器件的转换速率可高达100 ksps。MCP3204/3208器件具有2.7V 至5.5V 的宽电压工作范围。功能框图如下：

图 2

通过标准的SPI兼容串行接口实现与MCP3204/3208的通信。将 CS 线拉为低电平可以启动与器件之间的通信。如果在引脚 CS 为低电平时给器件上电，则首先必须将此引脚拉高，然后再拉低才能启动通信。在 CS 为低电平且 D 为高电平时接收到的第一个时钟IN构成启动位。启动位后跟的 SGL/DIFF 位用于确定使用单端还是差分输入模式进行转换。之后的三位（D0、D1和 D2）用于选择输入通道配置。相关内容具体见MCP3204的数据手册。控制位选择如图3。
由于C51没有SPI串口，这里需要使用C51的i/o通过软件模拟方式来实现SPI通信。
与MCP3204通信的SPI时序图如图4 。

控制位选择

图 3
MCP3204与C51通信时序参考图

图 4

DEMO程序说明
SPI是一种简单的串行通信协议很容易用软件方式模拟。软件模拟用SPI 0，0方式与MCP3204通信。CS信号为片选信号，低电平有效，所以在实现SPI通信时应该先拉低CS信号，通信结束后再拉高CS信号，终止SPI通信。
下图为发送1bit的时序图（最高位优先）。可以看到，我们首先通过数据口发送一个BIT位，然后时钟口才发送出一个脉冲。在下一个时钟脉冲发送之前，发送完一位数据。

图 5
发送数据程序如下：
void SEND_1(void)
{
SPI_IO=1;
SPI_CLK=1;
_nop_();
_nop_();
SPI_CLK=0;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
}
上述程序发送一位数据1，发送数据0的程序与其类似。这样我们就可以利用模拟的SPI跟MCP3204发送命令了。由于向MCP3204发送命令，以及从MCP3204接收数据，并不是同时发生，所以这里使用一个I/O口实现了数据的发送与接收。
下图为1-bit数据接收到时序图。

图 6
这里采用的是POST模式，即接收数据应该在两个脉冲之间进行。
接收数据程序如下：
unsigned int read_spi(void)
{
unsigned int read_verh = 0;
unsigned int read_verl = 0;
unsigned char count ;
for(count=0; count<5; count++)
{
read_verh = (read_verh << 1); //读取高5位
SPI_CLK = 0;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();

SPI_CLK = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();

SPI_CLK = 0; //形成一个脉冲
_nop_();

if(SPI_IO == 1)
read_verh |= 0x01;
else
read_verl &= 0xfe; //接收一个数据
}
for(count=0; count<8; count++)
{
read_verl = (read_verl << 1);//读取低8位
SPI_CLK = 0;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();

SPI_CLK = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();

SPI_CLK = 0;
_nop_();

if(SPI_IO == 1)
read_verl |= 0x01;
else
read_verl &= 0xfe;
}
return ((read_verh<<8)|read_verl);
}
MCP3204发出来的数据共有13位最高位是空位0，为了保证读入数据不丢失，根据MCP3204与单片机通信的时序图，这里将13位数据分成高5位和地8位，分别接受，两个接收中间要保持时钟信号为低。
向MCP3204发送启动命令：
void start_operation(void)
{
SEND_1(); //启动位

SEND_1(); //SGL/DIFF位单端模式
}
向MCP3204发送通道选择命令：
根据图3 发送相应的数据即可，下面是通道0的命令，
SEND_1();
SEND_0();
SEND_0();
SPI_IO=1;
注意 这里如果SPI_IO 为低，需要将其拉高，负责MCP3204无法识别发进来的命令。完整程序见DEMO。
在发送启动位、模式选择位和通道选择位以后，就启动了H48C，接下来就可以调用上面的接收程序读取数据了。接下来就可以根据读取的每个通道的计数值计算相应轴的加速度值了。
实现程序如下：

/*--------------------------------------------------------------------------------------------------
函数名称： Get_H48C
函数功能：分别读取X、Y、Z和基准电压VREF的计数值
---------------------------------------------------------------/
void Get_H48C(unsigned char ch)
{

SPI_CS = 0;
start_operation();//发送启动
SPI_CLK = 0; //拉低等待
mcpch(3);//发生编码
delay_nus(40);//等待转化完毕

vref = read_spi(); //测量基准电压
SPI_CS = 1;

delay_nms(2);

SPI_CS = 0; //开始测量X,Y,Z
start_operation();//发送启动
SPI_CLK = 0;
mcpch(ch);//发生编码
delay_nus(40);
axis = read_spi(); //测量基准电压
SPI_CS = 1;

}
注意，由于基准电压会发生变化，这里每测量一个轴的计数值，都要测量一次基准电压值，以保持每次测量的准确性。
/*--------------------------------------------------------------------------------------
函数名称：Get_xyzacc
函数功能：分别计算X、Y、Z的加速度
说 明：G = ((axis – vRef) / 4095) x (3.3 / 0.3663即
G = (axis – vRef) x 0.0022
--------------------------------------------------------------------------------------------------*/
void Get_xyzacc(void)
{
unsigned char axisnum;
for(axisnum=0; axisnum<3; axisnum++)
{
Get_H48C(axisnum);
if(axisnum == 0)
{
if(axis >= vref)
XgForce = (axis - vref)*0.0022 ;
else
XgForce = (vref - axis)*0.0022 ;
}
if(axisnum == 1)
{
if(axis >= vref)
YgForce = (axis - vref)*0.0022;
else
YgForce = (vref - axis)*0.0022;
}
if(axisnum == 2)
{
if(axis >= vref)
ZgForce = (axis - vref)*0.0022;
else
ZgForce = (vref - axis)*0.0022;
}
}
}
同时如果在静止的情况下，我们还可以根据计算出来的相应轴的加速度值来计算倾斜角度。
/*----------------------------------------------------------------
函数名：GetXYtilt ( )
功 能： 计算X和Y轴方向的角度
-----------------------------------------------------------------*/
void GetXYtilt(void)
{
float radianx,radiany;
Get_xyzacc();
radianx = asin(XgForce);
Xtilt = TILT(radianx);
radiany = asin(YgForce);
Ytilt = TILT(radiany);
}
这里用到两个宏定义，来将asin得到的弧度值转换为角度值。具体如下：
#define PI 3.1415926
#define TILT(a) a*180/PI //度＝弧度×180°/π
主程序
程序包含了"LCDDISPNUM.H"这个处理LCD数字显示的头文件，具体见相关程序。主程序使用了一个条件编译，通过对ACCORTILT 对这个宏定义值的修改分别实现加速度测量和倾斜角测量。当ACCORTILT 设为1 为加速度测量，设为0 是角度测量。使用定时器T2做串口通信时钟。

void main(void)
{
LCM_Init();
Time2_init(); //T2串口通信时钟
H48C_init();
printf("program now is running !\n");
Display_List_Char(0,2,"H48C DEMO");
delay_nms(1500);
Write_Command_LCM(1,0); //注意清屏
while(1)
{
Write_Command_LCM(1,0); //注意清屏
#if ACCORTILT
Get_xyzacc(); //测量加速度
Display_List_Char(0,0 ,"X:");
DispFloatNum(XgForce,0,2,4);

Display_List_Char(0,8,"Y:");
DispFloatNum(YgForce,0,10,4);

Display_List_Char(1,0,"Z:");
DispFloatNum(ZgForce,1,2,4);
printf("FDFGDFGDFG%f\n",ZgForce);
Display_List_Char(1,10,"-ACC-");

#else
GetXYtilt(); // 测量角度
Display_List_Char(0,0 ,"X:");
DispFloatNum(XgForce,0,2,4);

Display_List_Char(0,8,"Y:");
DispFloatNum(YgForce,0,10,4);

Display_List_Char(1,0,"Tx:");
DispFloatNum(Xtilt,1,3,3);

Display_List_Char(1,8,"Ty:");
DispFloatNum(Ytilt,1,11,3);
#endif
delay_nms(1000);
}
}