Создание корректора осанки

При выборе устройства, следует обращать внимание на материал, из которого он изготовлен. Следует выбирать прибор, изготовленный без использования различных аллергенов, а также обеспечивающий естественный теплообмен.

Срок использования. Современный электронный корректор всего на месяц помогает победить привычку сутулиться и выработать соответствующий навык. В случае, если человеку времени было недостаточно, период ношения прибора продлевается до момента получения положительного результата. В дальнейшем устройство можно применять в профилактических целях.

Механизм действия прибора.

Функционирование электронного корректора основано на работе специального датчика положения, являющегося своеобразным индикатором. Он подсказывает человеку правильный угол, при котором будет обеспечиваться естественного положения спины, а также сообщает человеку о нефизиологическом положении спины. В случае изменения эталонного нахождения корректора, датчик начинает вибрировать, напоминая о необходимости вернуться в правильное положение.

Принцип работы корректора осанки:

? специальный датчик фиксирует привычное положение тела человека;

? полученные результаты отправляются на схему контроля;

? выдается звуковой сигнал, продолжительность которого напрямую зависит от степени искривления позвоночника;

? после того, как человек принимает требуемое положение, и спина становится прямая, звуковой сигнал прекращается.

При этом настроить звуковую чувствительность датчика можно и самостоятельно. Но в отличие от классических корректоров, электронная модель может только предупреждать о неправильной позе или нарушениях осанки. Поэтому человеку приходится самостоятельно контролировать положение позвоночника, что дополнительным образом тренирует мышцы спины и живота. Это приводит к тому, мышцы запоминают нужную форму и в этом положении закрепляются. А значит, результат от использования электронного корректора, будет долговечным.

Преимущества данного прибора.

В сравнении с остальными видами корректоров осанки электронная модель имеет несколько существенных преимуществ:

минимальные размеры и вес;

незаметность прибора под одеждой, который не мешает повседневным привычкам;

30-секундная задержка - если человек изменил положение от запрограммированного в приборе, сигнал о нарушении прозвучит не сразу, а спустя время, которое дается на самостоятельное возвращение в требуемое положение;

подбор правильной осанки в различных положениях тела - устройство позволяет вырабатываться рефлексам не только во время хождения, но и при работе за столом или сидении на диване.

Постепенно и естественным образом осанка человека начнет улучшаться, а привычка держать спину в правильном положении выработается на длительное время. В дополнение к использованию корректора осанки следует не забывать про физические упражнения, чтобы закрепить результат на всю жизнь.

Перед применением корректора осанки следует проконсультироваться у врача-ортопеда, который поможет подобрать правильный вид корсета. Хотя у электронного корректора и не имеется противопоказаний, его можно приобретать как взрослым, так и детям.

4. Корректор осанки аппарат «Дельфин».

Что касается детских корректоров, то одной из самых популярных моделей для детей считается аппарат «Дельфин», изготовленный в виде рыбки салатового цвета. Прибор крепится за ухом, используется при подготовке домашних заданий, а также во время работы/игр за компьютером.Устройство отличается высокой эффективностью, доступной стоимостью (около 500 рублей) и пользуется спросом. Когда ребенок опускает голову вниз, аппарат издает звуковой сигнал, напоминая о необходимости выпрямить спину. Таким образом, корректор способствует формированию правильной осанки и предотвращает возможное ухудшение зрения.

Принцип работы его у него тот же что и у Мастера осанки, однако помимо некорректностей в работе как у предыдущей модели, к нему добавляется ещё один. Корректор измеряет своё положение не по положению груди, а по положению головы. А голова имеет ещё большую подвижность, чем спина и положение головы абсолютно не зависит от того, с правильной осанкой мы сидим или нет.Таким образом, несмотря на различные технические решения ни один из перечисленных устройств коррекции осанки не является идеальным.



2 . ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Техническое задание

Техническим заданием является создание усовершенствованного корректора осанки, с наименьшей стоимостью устройства и большей эффективностью применения, а именнозамена дорогостоящим аналогичным устройствам на основе гироскопа ADXL345. Управляющим устройством является микропроцессорный комплект Arduino NANO V3 на базе микропроцессора ATmega328. Рассмотрены преимущества данного устройства. Подробно изложена структурная схема, преобразующая поступивший сигнал с гироскопа на Arduino, а далее на вибромотор.

Данное устройство позволяет определить положение и перемещение прибора в пространстве. При перемещении определяет линейное ускорение и угловую скорость по трем осям, что дает полную картину положения спины.

Основа данного модуля микросхема MPU-6050. Микросхема содержит два устройства акселерометр и гироскоп. Данные этих устройств проходят предварительную обработку и передаются по предварительному интерфейсу I2C в микроконтроллер. Сам модуль трех осевого гироскопа и акселерометра GY-521 MPU 6050 является электронным аналогом нашего вестибулярного аппарата. Благодаря вестибулярному аппарату или похожему органу живые существа чувствуют направление тяготения. Вестибулярный аппарат на подсознательном уровне позволяет нам держать равновесие. Одно из применений гироскопа и акселерометра - электрическая система удержания баланса сигвея.

Благодаря отслеживанию вектора силы тяжести акселерометр может применяться как электронная альтернатива обычному строительному уровню. На основе акселерометра строят угломеры относительно тяготения земли - инклинометры. Они применяются для контроля за архитектурными сооружениями, при бурении скважин.

Комплекс из гироскопа и акселерометра применяется для стабилизации объекта в требуемом положении при внешних воздействиях. Например, поддержание положения объектива при съемке из автомобиля, с борта катера или квадрокоптера. Эффективность применения гироскопа при съемке для стабилизации объектива по двум осям при качке.

В настоящее время использование и применение гироскопа-акселерометра GY-521 помогает отказаться от джойстика, рукояток и прочих механических устройств в стационарных пультах управления. Применение гироскопа-акселерометра для управления положением веб-камеры с помощью сервоприводов показано далее. Наиболее интересное применение гироскопа и акселерометра - в движущихся полуавтоматических и автоматических системах. Прибор измеряет и сообщает микроконтроллеру о ускорении и ориентации.

MPU-6050 трехосевой аналоговый гироскоп и трехосевой акселерометр для Arduino содержит в себе сразу два датчика. Акселерометр определяет ускорение, а гироскоп - ориентацию в пространстве тела, на котором он установлен.

Гироскоп является устройством, которое реагирует на изменение углов ориентации контролируемого тела. Акселерометр представляет собой устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения, то есть разницы между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением. В данном устройстве гироскоп и акселерометр используются вместе для получения дополняющей друг друга информации. Таким образом данные от этих приборов будут более корректные и достоверные, чем использование показаний от одного из датчиков.

Считывание данных от устройств может происходить двумя путями. Измерения могут быть взяты из регистров хранения или получены из функций FIFO микросхемы MPU-6050.

Микросхема MPU-6050 содержит DigitalMotionProcessor (DMP), необходимый для обработки данных, которые передаются от датчиков гироскопа и акселерометра. Все это делается для повышения точности получаемых данных.

В качестве управляющего устройства в данном проекте можно выбрать микропроцессорный комплект ArduinoNano на базе микропроцессора ATmega328. Данное устройство имеет ряд преимуществ:

? наличие на рынке и низкая стоимость;

? наличие встроенного языка программирования микроконтроллера и интегрированнойсреды разработки, предоставляемой бесплатно, что дает широкие возможности разработки и гибкость программной составляющей;

? наличие интерфейсов обмена данными как в цифровом (USBI2C), так и в аналоговом виде;

? широкий ассортимент дополнительного оборудования для телеметрии и исполнительныхустройств;

? большое количество программных библиотек для работы с компонентами;

? наличие на плате интерфейсных разъемов.

Для предупреждения пользователя о неправильном положении спины нужен небольшой вибромотор, который начинает вибрировать при этом.

Структурная схема разрабатываемого устройства состоит из управляющего устройства, гироскопа, плоского вибрационного микромотора, двух аккумуляторов ёмкости, достаточной для полноценной работы устройства 6-8 часов, и выключателя. Сигнал с трехосного гироскопа поступает на Arduino. С помощью, вшитой в него программы, Arduino дает сигнал на вибромотор, который выполняет роль индикатора неправильного положения осанки.

У данного электронного корректора осанки преимуществ будет гораздо больше, чем у традиционных ортопедических изделий. Рассмотрим их более подробно:

? Незаметность (Электронный корректор можно разместить на одежде в виде красивогоаксессуара или спрятать под нее. Большинство ортопедических корректоров представляет собой большие бандажи, которые закрепляются почти по всех поверхности спины, что существенно снижает возможность носить некоторые виды одежды, так как в проймах горловины или рукавов будут выступать неэстетичные лямки.)

? Отсутствие возрастных ограничений (Один и тоже электронный корректор могутиспользовать как взрослые, так и дети. Ортопедические корректоры покупаются в соответствии с возрастом и комплекцией.)

? Простоты в использование (Электронный корректор позволяет вырабатывать привычкудержать спину прямо, не полагаясь на внешние приспособления. При любых отклонениях от нормы корректор будет сообщать об этом в удобной форме. В отличие от ортопедических корректоров он не сковывает движения и позволяет использовать себя в любых ситуациях.)

Можно сделать вывод, что использование данного корректора осанки позволит без нагрузок на позвоночник осуществить поддерживание позвоночника и расправление плеч, уменьшить болевого синдрома и предотвратить деформацию позвоночного столба. Новой корректор осанки будет более доступен по стоимости и более эффективен в применении.

2.2 Техническийпроект. Разработка структурной схемы аппарата

2.2.1 Принцип работы акселерометра и гироскопа и структурная схема

В повседневной жизни постоянно встречаются акселерометры и гироскопы. Они установлены в смартфонах, часах, автомобилях, в компьютерах и т.д. Но в такую маленькую вещь как телефон нельзя уместить акселерометр или гироскоп, выполненный в привычном механическом виде. Тут на помощь приходят микро-электромеханические системы (далее - МЭМС). Данные системы обладают такими свойствами как: маленький размер, большой функционал, низкое энергопотребление и небольшая стоимость.

МЭМС можно разделить на два типа:

? датчики - измерительные устройства, которые переводят те или иные физические величины в электрический сигнал;

? актуаторы - исполнительные устройства, которые в зависимости от полученного сигнала, выполняют те или иные физические воздействия.

В свою очередь МЭМС датчики можно разделить на датчики с разными чувствительными элементами, и с разными принципами преобразования физической величины в электрический сигнал, которые будут определять внутреннюю структуру системы [3].

В данной работе рассматривается распространённый датчик MPU6050. Датчик объединяет в себе акселерометр и гироскоп. Первый - используется для измерения линейных ускорений, а второй - угловых скоростей. Совместное использование акселерометра и гироскопа позволяет определить изменение движения тела в трёхмерном пространстве. В основе принципа действия MPU6050 заложен способ преобразования напряжения с подвижных обкладок конденсатора в сигнал с помощью АЦП. Такой вывод можно сделать, рассмотрев его внутреннюю структуру [3].

1.Принцип работы акселерометра.

Акселерометр - это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения на одну или несколько осей, называемых осями чувствительности. Под термином кажущееся ускорение следует понимать ускорение, обусловленное совокупностью всех сил, приложенных к объекту, кроме силы притяжения.

Термин в основном применяется в навигационных системах. Если на акселерометр действует лишь сила тяжести, то он будет измерять ускорение свободного падения, т.к. под действием этой силы, чувствительный элемент отклонится от положения равновесия.

Как уже было сказано, существует несколько видов акселерометров, отличающихся чувствительными элементами и принципами преобразования физической величины в электрический сигнал. Для того чтобы лучше понять принцип работы акселерометра, представим его как груз, закреплённый на пружинах. Принцип будет одинаков - происходит смещение чувствительного элемента под действием какой-либо силы в данном случае наклона осанки.

На рисунке 2.1представлена структурная схема одноосевого акселерометра, который преобразует изменение положения чувствительного элемента 2 в изменение сопротивления с помощью потенциометра 3.

Рисунок 2. 1.- Внутреннее устройство одноосного акселерометра.

Структурная схема одноосевого акселерометра, представленного на рисунке 2.1 состоит из:

1 - пружина;

- чувствительный элемент;

- потенциометр;

- демпфер;

- корпус.

Чувствительный элемент представляет собой массу, закрепленную на пружинах, которые прикреплены к корпусу. Демпфер используется для уменьшения влияния собственных колебаний чувствительного элемента. На вышеприведенном рисунке акселерометр расположен параллельно земной поверхности и к корпусу не приложены никакие силы вдоль оси X.

Если же корпусу сообщить ускорение, то картина изменится, как представлено на рисунке 2.2. В данном случае при воздействии силы F1 к корпусу, чувствительный элемент смещается влево, в противоположную сторону, приложенной силе F1. Это смещение регистрирует потенциометр, и на выходе датчика появляется напряжение, пропорциональное приложенной силе.

Рисунок 2.2. - Внутреннее устройство одноосного акселерометра при воздействии силы вдоль его оси

Если же расположить одноосный акселерометр перпендикулярно земной поверхности как представлено на рисунке 2.3, то есть вдоль вектора силы тяжести, то датчик произведет измерение силы тяжести из-за отклонения чувствительного элемента от положения равновесия.

Рисунок 2.3. - Внутреннее устройство одноосного акселерометра при измерении силы тяжести

Теперь можно отойти от примера с грузом и перейти к более удобной форме для расчёта угла наклона акселерометра.

При повороте датчика из положения, представленного на рисунке 2.3 в положение, представленное на рисунке 2.1, когда на ось акселерометра действует сила тяжести, можно измерить угол наклона акселерометра по отношению к этой силе. Проекция сил для расчета угла наклона по одной оси акселерометра, представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4. - Проекция сил для расчёта угла наклона по одной оси акселерометра

Измеряемое значение кажущегося ускорения свободного падения будет уменьшаться в соответствии с выражением [4]:

где, - угол наклона датчика, - проекция вектора g на ось чувствительности x. Отсюда выразим угол наклона:

Так как масса в данном случае не влияет на результат измерения, примем m = 1. Допустим, при наклоне датчика было измерено кажущееся ускорение.. Если подставить это значение в формулу (2), то получим угол наклона в 30. Используя лишь одну ось, угол наклона можно определять в диапазоне до ±90. С приближением к значению угла в 90 чувствительность измерения угла наклона будет стремиться к нулю [4]. Используя больше осей, можно будет точнее определять угол наклона и в большем диапазоне.

Если к одноосевому акселерометру добавить второй такой же, но расположить его ось перпендикулярно оси первого, получится двухосевой акселерометр. Так можно расширить угол измеряемого наклона. На Рис. 5 представлена расчётная схема для угла наклона по двум осям.

По проекциям сил на двух осях (x, y)можно восстановить угол по следующему выражению:

Воспользуемся расчетным соотношением из формулы (3) и рассчитаем угол, подставим полученные значения в формулу (4) и получим значениев , что соответствует изначальным расчётам:

Представим проекцию сил для расчёта угла наклона по двум осям акселерометра на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5. - Проекция сил для расчёта угла наклона по двум осям акселерометра

В действительности же на объект могут действовать дополнительные силы, которые будут вносить существенные искажения в оценку угла наклона [5].

2. Принцип работы гироскопа.

Гироскоп - это устройство, реагирующее на изменение угловой скорости на одной или нескольких осях. Существует несколько разновидностей МЭМС гироскопов, различающихся внутренним устройством, но всех их объединяет то, что их работа основана на использовании силы Кориолиса. В каждом из них есть рабочее тело, совершающее возвратно-поступательные движения. Если вращать подложку, на которой находится это тело, то на него начнет действовать сила Кориолиса, направленная перпендикулярно оси вращения и направлению движения тела. На рисунке 2.6 представлен механизм работы этой силы. Зная линейную скорость и силу Кориолиса можно определить угловую скорость.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2.6. - Механизм работы силы Кориолиса

Механизм работы силы Кориолиса имеет следующие значения:

? ? вектор угловой скорости;

v - Вектор линейной скорости;

Fc - сила Кориолиса.

Одна из возможных реализаций гироскопа имеет следующую структуру: закрепленная на гибких подвесках рамка, внутри которой совершает поступательные колебательные движения некая масса. Структура такого сенсора представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7. - Внутренняя структура гироскопа:

Внутренняя структура гироскопа имеет следующие значения:

1 - крепление массы;

- рабочая масса;

- крепление внутренней рамки;

- сенсоры перемещения внутренней рамки;

- внутренняя рамка;

? подложка.

Колебания рабочей массы происходят вдоль оси X и генерируются электростатический, а колебания внутренней рамки возможны только вдоль оси Y. Между внутренней рамкой и подложной расположены обкладки плоских конденсаторов (сенсоры перемещения), таким образом, измеряя их емкость, можно регистрировать движение рамки относительно подложки.

На рисунке 2.8 представлена структура гироскопа при его вращении в плоскости XY по часовой стрелке.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2.8. - Структура гироскопа при вращении

Но колебания внутренней рамки могут вызываться не только силой Кориолиса, но и линейными ускорениями, которые действуют вдоль оси Y. Проблема решается путем размещения на одной подложке двух рамок, в каждой из которых находится рабочая масса. Обе массы колеблются в противофазе, следовательно, в конкретный момент времени сила Кориолиса, воздействующая на первую массу, направлена противоположно силе, воздействующей на вторую. Сигналы, генерируемые силой Кориолиса, будут складываться, а синфазная составляющая, порожденная линейным ускорением, будет вычитаться.

Таким образом, измеряя отклонение внутренней рамки с помощью сенсоров перемещения, можно оценить угловую скорость датчика.

Рисунок 2.8.1. - Структурная схема разрабатываемого устройства

Структурная схема разрабатываемого устройства, представленная на рисунке 2.8.1 состоит из:1 ?управляющего устройства акселерометр, 2 - гироскопа, 3 - плоского вибрационного микромотора, 4 - двух аккумуляторов ёмкости, достаточной для полноценной работы устройства 6-8 часов, и 5 - выключателя.

Сигнал с трехосного гироскопа поступает на Arduino. С помощью, вшитой в него программы, Arduino дает сигнал на вибромотор, который выполняет роль индикатора неправильного положения осанки представлена на рисунке 2.8.1.

2.3 Рабочий проект. Разработка принципиальной схемы аппарата

Рассмотрим технические характеристики электрического прибораGY-521, с микросхемой MPU6050. В электрическом прибореGY-521 установлена микросхема MPU6050 со всеми необходимыми элементами для её нормальной работы. Внешний вид данного электрического прибора см. на рисунке 2.9.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рисунок 2.9. - Схема электрического прибора GY-521

Ориентацию осей относительно микросхемы MPU6050представлены на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10. - Ориентация осей MPU6050

На рисунке 2.11 представлена принципиальная схема электрического прибора. Конденсатор C1, установлен не на всех приборах. На различных приборах номиналы резисторов и конденсаторов могут отличаться.

Рисунок 2.11. -Принципиальная схема электрического прибора

Назначение выводов и принципиальная схема электрического прибора:

VCC - напряжение питания +5 В;

GND - «Земля»;

SCL - линия тактового сигнала ;

SDA - линия данных

XDA - линия данных при работе в режиме мастера, для подключения другого датчика;

XCL - линия тактового сигнала при работе в режиме мастера, для подключения другого датчика;

AD0 - нулевой бит адреса устройства;

INT - выходной сигнал о необходимости обработки данных с MPU6050.

MPU6050 имеет программируемую систему прерываний, которая может генерировать сигнал прерывания на выходе INT. Флаги состояния указывают источник прерывания. Источники прерываний могут быть включены и отключены по отдельности программное [6, с 32].



3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка технических требований к конструкции устройства и техническая характеристика электрического устройства

При разработке конструкции проектируемого устройства необходимо опираться на ряд технических требований. По характеру требования можно условно разделить на эксплуатационные, компоновочные, конструктивно-технологические, требования технической эстетики.

Учет эксплуатационных требований при конструировании обеспечивает конструкции комплексную надежность. Условия эксплуатации, определяемые влиянием трех факторов: климатических, механических, психофизиологических диктуют необходимость выполнения требований, заданных в ТЗ.

Удобство обслуживания - хороший доступ к узлам изделия, возможность быстрого ремонта, рациональное размещение элементов индикации и управления, а также безопасность обслуживания.

Данные требования определяют рациональное размещение комплектующих элементов, узлов и направлены на обеспечение наилучшего функционирования аппаратуры в процессе эксплуатации.

К ним относят рациональные габаритные размеры и минимальную массу, максимальный коэффициент использования корпуса, удобный доступ к элементам для осмотра и регулировки, минимальные потери в электрических цепях, снижение паразитных связей между блоками, выбор простейших и эффективных способов охлаждения.

Конструктивно-технологические требования должны обеспечивать оптимальность конструктивно-технологического решения:

При разработке конструкции необходимо учесть возможность взаимозаменяемости отдельных деталей конструкции и элементов схемы.

Детали конструкции должны обладать хорошей технологичностью, иметь несложную форму.

Материалы, из которых выполняются детали конструкции, должны быть прочными, обладать малым весом, малой стоимостью

Соединения между блоками конструкции должны быть простыми и надежными.

К дизайнерским требованиям относят внешний вид изделия должен отвечать современному стилю, назначению, особенностям производства и элементы управления и индикации должны быть расположены на передней панели.

1. Рассмотрим технические характеристики электрического устройства:

? Размер платы 20x16 мм;

? 3-х осевой МЭМС гироскоп с 16-битным АЦП;

? 3-х осевой МЭМС акселерометр с 16-битным АЦП;

? Встроенный температурный датчик;

? Цифровой программируемый фильтр нижних частот (ФНЧ);

? Напряжение питания микросхемы 2,375 3,46 В.

?На плате установлен стабилизатор на 3,3 В, поэтому на плату можно подавать напряжение питания 5 В;

? Рабочий диапазон температур от -40 до 85 ;

? FIFO-буфер объемом 1024 байт;

? Программируемые пользователем цифровые фильтры для гироскопа, акселерометра и температурного датчика;

? Программируемые пользователем источники прерывания;

?Интерфейс для записи и чтения регистров устройства, работающий на частоте до 400 кГц, в стандартном режиме до 100 кГц;

? На плате установлены «подтягивающие» резисторы для SDA и SCL линий;

? Два отверстия под винт диаметром 3 мм.

2. Технические характеристики Акселерометра:

? Программируемый пользователем диапазон измерений: ±2, ±4, ±8 и ±16 g;

? Встроенный 16-разрядный АЦП;

? Нелинейность 0,5 %;

? Номинальный ток в режиме работы - 0,5 мА; ?Режим пониженного энергопотребления:

? 10 мкА - 1.25 Гц, 20 мкА - 5 Гц, 70 мкА - 20 Гц, 140 мкА - 40 Гц;

Акселерометр может выдержать удар до 10 000 g, при условии, что он выключен.

3. Технические характеристики гироскопа:

? Программируемый пользователем диапазон измерений: ±250, ±500, ±1000 и ±2000 °/сек(градусов в секунду);

? Встроенный 16-разрядный АЦП;

? Нелинейность 0,2 %;

?Ток в режиме работы - 3,6 мА; ?Ток в режиме ожидания - 5 мкА.

4. Технические характеристики температурного датчика

? Диапазон измерений от -40 до +85;

? На градус Цельсияотводится 340 отсчётов.

ОПИСАНИЕ РЕГИСТРОВ MPU6050 ниже приведена таблица 1 управляющих регистров MPU6050.

Таблица 1 - Описание управляющих регистров MPU6050

0x1A	Отвечает за настройку внешнего сигнала синхронизации (в GY-521, не используется) и за настройку ФНЧ. На второе отводится три бита.
0x1B	Отвечает за настройку гироскопа. Три бита на каждую ось гироскопа для самотестирования. Два бита для настройки шкалы гироскопа от 250 до 2000 °/сек.
0x1C	Отвечает за настройку акселерометра. Три бита на каждую ось акселерометра для самотестирования. Два бита для настройки шкалы акселерометра от ±2 до ±16 g.
0x23	Отвечает за буфер обмена FIFO. Можно указать какие данные с датчиков будут загружаться в буфер FIFO.
0x37	Настройка вывода INT.
0x38	Отвечает за прерывания INT.
0x3A	Флаги прерывания INT.
0x3B	Старшие 8 бит измеряемой величины акселерометра по оси x
0x3C	Младшие 8 бит измеряемой величины акселерометра по оси x
0x3D	Старшие 8 бит измеряемой величины акселерометра по оси y
0x3E	Младшие 8 бит измеряемой величины акселерометра по оси y
0x3F	Старшие 8 бит измеряемой величины акселерометра по оси z
0x40	Младшие 8 бит измеряемой величины акселерометра по оси z
0x41	Старшие 8 бит измеряемой величины температурного датчика
0x42	Младшие 8 бит измеряемой величины температурного датчика
0x43	Старшие 8 бит измеряемой величины гироскопа по оси x.
0x44	Младшие 8 бит измеряемой гироскопа по оси x	величины
0x45	Старшие 8 бит измеряемой гироскопа по оси y	величины
0x46	Младшие 8 бит измеряемой гироскопа по оси y	величины
0x47	Старшие 8 бит измеряемой гироскопа по оси z	величины
0x48	Младшие 8 бит измеряемой гироскопа по оси z	величины
0x68	Используется для сброса аналоговых и цифровых сигналов датчиков.
0x6A	Предназначен для включения/отключения буфера FIFO, мастер режима и общий сброс регистров датчиков.
0x6B	Отвечает за настройку режима сна, выкл. температурного датчика и настройку тактирования устройства.
0x6C	Настройка частоты пробуждения акселерометра в режиме пониженного энергопотребления и установка отдельных осей в режим ожидания.
0x75	Отвечает за идентификацию устройства.

Сборка и подключение электрического прибора

Использование в конструкциях радиоэлектронных узлов технологии монтажа на поверхность позволило значительно уменьшить габариты и массу таких узлов, практически полностью автоматизировать процессы сборки, повысить надежность и снизить стоимость аппаратуры. В основном в конструкциях радиоэлектронных узлов в современных РЭС наблюдается сочетание методов монтажа в отверстия и методов монтажа на поверхность.

Технология сборки узлов с монтажом на поверхность имеет ряд особенностей:

Перед выполнением пайки компоненты должны быть зафиксированы на плате. Такое закрепление может быть получено при помощи паяльной пасты, наносимой на контактные площадки перед монтажом компонента, либо при помощи микрокапли клея, на которую ставится компонент;

Технология монтажа на поверхность в чистом виде применяется сравнительно редко, обычно на печатную плату одновременно устанавливаются и КМП, и КМО;

Миниатюрность компонентов, отсутствие на многих из них маркировки предполагают только автоматизированный монтаж и пайку;

Существенное уменьшение как геометрических размеров компонентов, так и увеличение плотности расположения выводов и печатных проводников создает серьезные технологические трудности как в части уменьшения всех погрешностей при изготовлении печатных плат, так и при установке компонентов с высокой точностью позиционирования, обеспечения надежности процесса пайки (недопустимости закорачивания выводов и проводников при малом расстоянии между ними, изменения положения компонентов при пайке в результате действия сил поверхностного натяжения), согласованности температурных коэффициентов термического расширения компонентов и оснований печатных плат.

Основными преимуществами ТМП являются:

Увеличение плотности компоновки из-за существенно меньших размеров компонентов, практическому отсутствию выводов, уменьшению шага расположения выводов;

Значительное улучшение массогабаритных показателей;

Улучшение помехозащищённости, быстродействия и частотных свойств компонентов;

Улучшение условий теплоотвода за счёт непосредственного контакта нижней поверхности компонента с платой;

Исключение таких подготовительных операций при сборке, как обрезка и формовка выводов;

Повышение надёжности межсоединений;

Возможность полной автоматизации сборочно-монтажных работ.

Подключение электрического прибора GY-521 к STM32

Общение с MPU6050 осуществляет при помощи интерфейса. Все необходимые элементы для интерфейса уже установлены на плате GY-521, поэтому можно напрямую подключатся к электрическому прибору. Схема подключения приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. - Схема подключения электрического прибораGY-521 к STM32

Модуль GY-521 подключается к отладочной плате STM32F103C8T6. Управление модулем осуществляется с помощью отправки команд и считывания из регистров необходимых данных. После отправки модулю команды о начале измерений происходит оцифровка показаний со всех осей гироскопа, акселерометра и термодатчика. После этого можно считать результаты измерений из необходимых регистров.

Интерфейс имеет архитектуру ведущий - ведомый, то есть одно устройство (ведущее) производит запрос на чтение или запись данных от ведомых устройств. В нашем случае ведомым является MPU6050, а ведущим модуль, находящийся на микроконтроллере. Для связи используется две двунаправленные линии: тактирования и данных. Ведомое устройство имеет свой адрес, который на данной линии должен быть уникальным (в нашем случае это 0хD0). Линии SDA и SDL должны быть подтянуты к уровню логической единицы. Как правило, устройства подключаются к линиям SDA и SDL через выводы с открытым коллектором (стоком). Преимуществом данного интерфейса является возможность подключения большого количества ведомых устройств. Также необходимо учитывать, что при увеличении скорости передачи данных с MPU6050 уменьшается эффективная дальность передачи данных, поэтому следует использовать провода как можно меньшей длины.

Стоит обратить внимание на некоторые особенности, связанные с программной реализацией алгоритма получения данных на микроконтроллере серии STM32.

Во-первых, необходимо сбрасывать флаги состояния модуля - периферии микроконтроллера. Осуществляется это чтением регистра флагов. Если этого не сделать, модуль MPU6050 не сможет перейти к следующей стадии работы и произойдет зависание программы. Поэтому необходимо тщательно изучить документацию на данный периферийный модуль микроконтроллера, а также документ, содержащий сведения об ошибках в документации (ERRATA SHEET).

Вторая особенность связана с завершением сеанса связи при чтении данных из регистров MPU6050. Сигналом завершения обмена данных является установка стоп-условия на линии данных. В данном микроконтроллере команду на генерацию стоп-условия необходимо отдатьпосле прочтения предпоследнего байта. Если принимается один байт, это необходимо сделать после получения бита подтверждения адреса от ведомого устройства. Если это сделать после прочтения последнего байта, микроконтроллер будет ожидать прием еще одного байта, которого не будет, и программа зависнет.

Экспериментальное исследование акселерометра и гироскопа.

Был проведён ряд экспериментов для анализа показаний датчиков в статике. Были установлены единые границы измерения: для гироскопа установлен диапазон ±250 °/сек, для акселерометра ±2 g. Данные с MPU6050 не корректировались и не фильтровались. На графиках по оси x указано время измерения, а по оси y - код с выхода АЦП, в отсчётах.

Стоит отметить, что при многократном использовании недорогих разъёмных соединений, которые приведены на Рис. 15, есть вероятность того, что при проведении экспериментов может пропасть контакт. Поэтому рекомендуется использовать пайку вместо недорогих разъёмных соединений.

Модуль GY-521 с микросхемой MPU6050 является простым и доступным датчиком, имеющим в своём составе 3-х осевой акселерометр, 3-х осевой гироскоп и температурный датчик. Акселерометр и гироскоп можно использовать для определения изменения положения в пространстве, угла наклона, как датчик столкновения и т.д. Модуль имеет небольшую стоимость, большой функционал и удобный интерфейс для обмена данными. Подходит для множества инженерных задач, не требующих большой точности.

По результатам проведенных экспериментов, в показаниях акселерометра и гироскопа обнаружена ярко выраженная статическая ошибка.

При исследовании влияния силы тяжести на ось Z было установлено, что существует проблема смещения диапазона возможных значений, причем для каждой оси эти смещения могут быть различны. Это может возникать из-за разной жёсткости подвесов чувствительного элемента. Причем, эта проблема может быть индивидуальна для различных модулей GY-521. Поэтому, желательно проверять наличие ошибки смещения на оси перед началом эксплуатации модуля.

Так как гироскоп предназначен для измерения угловой скорости, т.е. движения, показания в статике не несут полезной информации и их значения должны колебаться на уровне нуля.

Для улучшения показаний датчиков рекомендуется производить начальную калибровку и последующую фильтрацию полученных значений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дипломной работе на основании технического задания выполнено создание усовершенствованного корректора осанки, с наименьшей стоимостью устройства и большей эффективностью применения, а именно замена дорогостоящим аналогичным устройствам на основе гироскопа ADXL345.

Управляющим устройством является микропроцессорный комплект Arduino NANO V3 на базе микропроцессора ATmega328. Рассмотрены преимущества данного устройства. Подробно изложена структурная схема, преобразующая поступивший сигнал с гироскопа на Arduino, а далее на вибромотор.

Данное устройство позволяет определить положение и перемещение прибора в пространстве. При перемещении определяет линейное ускорение и угловую скорость по трем осям, что дает полную картину положения спины.

Основа данного модуля микросхема MPU-6050. Микросхема содержит два устройства акселерометр и гироскоп. Данные этих устройств проходят предварительную обработку и передаются по предварительному интерфейсу I2C в микроконтроллер. Сам модуль трех осевого гироскопа и акселерометра GY-521 MPU 6050 является электронным аналогом нашего вестибулярного аппарата. Благодаря вестибулярному аппарату или похожему органу живые существа чувствуют направление тяготения. Вестибулярный аппарат на подсознательном уровне позволяет нам держать равновесие. Одно из применений гироскопа и акселерометра - электрическая система удержания баланса сигвея.

Благодаря отслеживанию вектора силы тяжести акселерометр может применяться как электронная альтернатива обычному строительному уровню. На основе акселерометра строят угломеры относительно тяготения земли - инклинометры. Они применяются для контроля за архитектурными сооружениями, при бурении скважин.

Комплекс из гироскопа и акселерометра применяется для стабилизации объекта в требуемом положении при внешних воздействиях. Например, поддержание положения объектива при съемке из автомобиля, с борта катера или квадрокоптера. Эффективность применения гироскопа при съемке для стабилизации объектива по двум осям при качке.

В настоящее время использование и применение гироскопа-акселерометра GY-521 помогает отказаться от джойстика, рукояток и прочих механических устройств в стационарных пультах управления. Применение гироскопа-акселерометра для управления положением веб-камеры с помощью сервоприводов показано далее. Наиболее интересное применение гироскопа и акселерометра - в движущихся полуавтоматических и автоматических системах. Прибор измеряет и сообщает микроконтроллеру о ускорении и ориентации.

Гироскоп является устройством, которое реагирует на изменение углов ориентации контролируемого тела. Акселерометр представляет собой устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения, то есть разницы между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением. В данном устройстве гироскоп и акселерометр используются вместе для получения дополняющей друг друга информации. Таким образом данные от этих приборов будут более корректные и достоверные, чем использование показаний от одного из датчиков.

Считывание данных от устройств может происходить двумя путями. Измерения могут быть взяты из регистров хранения или получены из функций FIFO микросхемы MPU-6050.

Микросхема MPU-6050 содержит DigitalMotionProcessor (DMP), необходимый для обработки данных, которые передаются от датчиков гироскопа и акселерометра. Все это делается для повышения точности получаемых данных.

В качестве управляющего устройства в данном работе выбран микропроцессорный комплект ArduinoNano на базе микропроцессора ATmega328. Данное устройство имеет ряд преимуществ:

? наличие на рынке и низкая стоимость;

? наличие встроенного языка программирования микроконтроллера и интегрированнойсреды разработки, предоставляемой бесплатно, что дает широкие возможности разработки и гибкость программной составляющей;

? наличие интерфейсов обмена данными как в цифровом (USBI2C), так и в аналоговом виде;

? широкий ассортимент дополнительного оборудования для телеметрии и исполнительныхустройств;

? большое количество программных библиотек для работы с компонентами;

? наличие на плате интерфейсных разъемов.

Для предупреждения пользователя о неправильном положении спины нужен небольшой вибромотор, который начинает вибрировать при этом.

Структурная схема разрабатываемого устройства состоит из управляющего устройства, гироскопа, плоского вибрационного микромотора, двух аккумуляторов ёмкости, достаточной для полноценной работы устройства 6-8 часов, и выключателя. Сигнал с трехосного гироскопа поступает на Arduino. С помощью, вшитой в него программы, Arduino дает сигнал на вибромотор, который выполняет роль индикатора неправильного положения осанки.

У данного электронного корректора осанки имеется ряд преимуществ:

? Незаметность (Электронный корректор можно разместить на одежде в виде красивогоаксессуара или спрятать под нее. Большинство ортопедических корректоров представляет собой большие бандажи, которые закрепляются почти по всех поверхности спины, что существенно снижает возможность носить некоторые виды одежды, так как в проймах горловины или рукавов будут выступать неэстетичные лямки.)

? Отсутствие возрастных ограничений (Один и тоже электронный корректор могутиспользовать как взрослые, так и дети. Ортопедические корректоры покупаются в соответствии с возрастом и комплекцией.)

? Простоты в использование (Электронный корректор позволяет вырабатывать привычкудержать спину прямо, не полагаясь на внешние приспособления. При любых отклонениях от нормы корректор будет сообщать об этом в удобной форме. В отличие от ортопедических корректоров он не сковывает движения и позволяет использовать себя в любых ситуациях.)

Можно сделать вывод, что использование данного корректора осанки позволит без нагрузок на позвоночник осуществить поддерживание позвоночника и расправление плеч, уменьшить болевого синдрома и предотвратить деформацию позвоночного столба. Новой корректор осанки будет более доступен по стоимости и более эффективен в применении.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Букреев, И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств.? М.: Сов. радио, 2007.? 368 с.

Ельянов, М.М. Практикум по радиоэлектронике. Учебное пособие для учащихся. Изд. 3-е, доп. М.: Просвещение,? 2005г. ? 315 с.

Ескин, А.В., Жмудь В.А., Трубин В.Г. Плагины Eclipse для ускорения разработки программ цифровых систем управления. Автоматика и программная инженерия. 2013. № 4 (6). с. 24-34.

Кардашев, Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. ? М.: Горячая линия ? Телеком, 2002. ? 260 с.

Кардашев, Г.А. Цифровая электроника на компьютере. ElectronicsWorkbench, Micro-Cap.? М.: Горячая линия Телеком, 2003. ?311 с..

Климов, В.В. Пересчетные схемы на туннельных диодах и транзисторах // Полупроводниковые приборы и их применение: Сб. статей под ред. Я.А. Федотова.? 1970.? Выпуск. № 24.? С. 135-148.

Климов, В.В. Электронные импульсные ключи, запоминающие сигнал управления // Электронная техника в автоматике: Сб. статей под ред. Ю.И. Конева.? 2009.? Выпуск. 3.? С. 122-128.

Климов В.В. Импульсные ключи в цифровых устройствах. (Массовая б-ка инженера «Электроника»). Под ред. В.В. Климова. ? 2-е изд., перераб. и доп.? М.: Радио и связь, 2009.? 112 с.

Кухтинова, М.С., Позолотина, Н.А., Жмудь, В.А., Трубин,В.Г..Системы распознавания речи. Автоматика и программная инженерия. ? 2014. № 2 (8). ? С. 46-48.

Леухин, В.Н. «Проектирование радиоэлектронных узлов»: учебное пособие. / Под ред. В.Н. Леухина. - Йошкар Ола, 2003.?с. 94-108.

Малыгин, Е.Н., Краснянский М.Н., Карпушкин С.В., и др. Новые информационные технологии в открытом инженерном образовании: Учебное пособие. / Под ред. Е.Н. Малыгина. ? М.: Издательство машиностроение ? 1, 2003. ? 206 с.

Мацкеплишвили, Т.Я. Нарушение осанки и искривление позвоночника у детей/ Под ред. Т.Я. Мацкеплишвили? М.: Издательство НЦССХ им. А.Н. Бакулева РАМН, 2014.?64.с.

Размещено на Allbest.ru