Sensorik in energieeffizienten Systemen

Bewegungserkennung mit Beschleunigungssensor

06.10.2009 | Autor / Redakteur: Johannes Becker, Michael Kreutzer, Carsten Schmidt, Klaus Wüst* /

Tragbares Messsystem mit TI-MCU und Freescale-Sensor
Tragbares Messsystem mit TI-MCU und Freescale-Sensor

Ein tragbares Messsystem auf der Basis eines Mikrocontrollers von Texas Instruments und Beschleunigungssensors von Freescale muss für lange Zeit ohne Service mit nur einer Batterie auskommen. Neben der Hardware spielt auch die Software-Implementierung bei Langzeitmessungen mit Bewegungsauslösung eine wichtige Rolle.

Bestimmte Personengruppen, z.B. die Mitarbeiter von Wasserwerken, sind verstärkt der radioaktiven Strahlung aus dem Edelgas Radon ausgesetzt. Für diese Personen ist eine Langzeit-Strahlenmessung gesetzlich vorgeschrieben. Dazu wird ein Radonexposimeter benutzt, das am Körper getragen wird, die Einwirkung der radioaktiven Strahlung akkumuliert und nach längerer Zeit ausgelesen wird. Das Exposimeter kann aber zu falschen Ergebnissen führen, wenn das abgelegte Gerät weiter misst, während der Mensch, dessen Strahlenbelastung gemessen werden sollte, den radioaktiv exponierten Bereich schon verlassen hat.

Es ist also wichtig, nur dann zu messen, wenn das Gerät wirklich von einem Menschen getragen wird. Ein Radonexposimeter lässt sich mit einem Schieber verschließen und die Messung wird dadurch relativ schnell gestoppt. Ziel des folgenden Projektes war daher die Entwicklung eines neuartigen Radonexposimeters, das feststellt, ob ein portables Messgerät aktuell am menschlichen Körper getragen wird und nur dann die Messung fortsetzt.

Das entwickelte tragbare Messsystem enthält eine MCU, einen Beschleunigungssensor, Quarze, Stromversorgung, einen RS232-Pegelwandler und die eigentliche Radonmesszelle, die mit einem motorgetriebenen Schieber verschlossen werden kann. Das System muss sehr energieeffizient arbeiten, weil es über Monate hinweg ohne Service mit einer Batterie auskommen muss. Die Wahl fiel daher auf eine MCU aus der MSP430-Familie von TI, die sich sehr Strom sparend betreiben lässt: den MSP430F449.

3-achsiger Sensor misst Gesamtbeschleunigung

Bild 1: Erdbeschleunigung in zwei verschiedenen Orientierungen
Bild 1: Erdbeschleunigung in zwei verschiedenen Orientierungen

Das Problem der Bewegungserkennung wurde mit dem 3-achsigen Beschleunigungssensor MMA7260Q von Freescale gelöst. Dieser Sensor misst die Komponenten der wirkenden Beschleunigung in x-, y- und z-Richtung und gibt sie analog aus. Für einen ruhenden Gegenstand ergibt sich aus den drei Komponenten die Erdbeschleunigung 1 g, wenn man sie vektoriell addiert. Die Größe der einzelnen Komponenten hängt dabei von der Orientierung im Raum (Raumlage) ab und ändert sich erst wenn der Sensor gedreht wird. Bild 1 stellt die gemessenen Komponenten für zwei verschiedene Orientierungen jeweils zum Beschleunigungsvektor zusammengesetzt dar. Dabei ist die z-Achse grob in Richtung der Erdbeschleunigung ausgerichtet.

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