加速度传感器MMA7331L在发力曲线检测中的应用

　　1　MMA7331L特点与原理

　　1.1　MMA7331L基本特性

　　MMA7331L是Freescale生产的三轴加速度传感器,它是一款小封装(3mm×5mm×1.0mm LGA-14Package)、低能耗(通常400μA, Sleep状态下3μA)的加速度测量芯片。其敏感范围为±4g或±12g可选,三轴分别能忍耐的最大加速度为gmax=±5000g,工作电压为2.2~3.6V。

　　MMA7331L还具有自校准功能。自校准时,其Z轴将输出相当于存在1g的与Z轴平行的加速度时的输出电压,可用于校准其在某时刻的输出电压与加速度的关系;而X、Y轴则将会有较小的不确定大小的输出电压,可用来验证芯片与PCB焊接的良好性。

    1.2　加速度传感器的测量原理

　　MMA7331L的加速度感应单元主要由2个背靠背的电容组成。如图1所示,双电容共用的面板部分会随着加速度的大小及方向的不同而相应移动,从而使得2个电容的大小相应变化。MMA7331L则利用开关电容技术来测量加速度单元的电容并从2个电容的差值获得加速度信息,经过信号调理和滤波,然后输出与当前加速度相应的电压信号。

    1.3　MMA7331L输出信号特征

　　MMA7331L的输出信号为与当前物体加速度成线性关系的模拟电压信号。0g时输出电压为供电电压的一半,加速度变化时,输出电压变化量与物体当前加速度成正比。当其敏感范围设定为±4g时,输出电压随加速度的变化为308±18.5mV/g;当其敏感范围设定为±12g时,输出电压随加速度的变化为83.6±8.3mV/g。

　　2　测试原理

　　加速度a是对物体受不平衡外力作用时运动状态发生变化快慢的表征。a与物体所受外力合力的大小f以及物体本身质量m有式(1)所述关系:

　　利用上述原理,设计拳手出拳发力曲线检测装置的原理如图2所示。

　　击打面板是质量为m带缓冲层的物体,它紧固在弹性系数为k(足够大)的弹簧的一端,弹簧另一端紧固在检测装置的支架上。在受拳手大小为ft随时间变化的击打作用时,物体以加速度at向右挤压弹簧,引起弹簧的反作用力kxt。

　　首先利用加速度传感器MMA7331L可靠测得加速度即时值at,然后利用位移与加速度及时间的关系,可以求得t时刻的位移值xt如下:

　　拳手的拳头施加到物体上的力的即时值ft与面板的质量m、当前加速度at、以及Δxt和k的关系如下式所示:

　　于是通过对面板当前加速度的测量,间接得到F-T关系曲线。必要时可通过对此曲线的计算处理来获得需要的参数。

　　3　系统架构

　　3.1　MCU的选取