基于MMA8452Q加速度传感器的计步器设计

　　摘要：介绍了基于MMA8452Q加速度传感器的计步器设计。MMA8452Q是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器。本设计充分利用了该传感器对被检测模拟信号的滤波处理能力，并配合软件抗干扰措施，通过检测人行走时腰部产生的垂直加速度的变化，实现间接检测步数的目的。设计硬件简单，计步精度较高，稳定性好，已经通过实际调试，具有实用价值。

　　关键词：MMA8452Q;计步器;单片机;抗干扰

　　伴随着人们生活质量和科技水平的提高，辅助锻炼设备不断出现，计步器就是一种日常锻炼监测器，通过记录人们行走的步数，监测自己的健身强度，方便实用。加速度传感器可用于间接步数检测。由于近年来MEMS加速度传感器发展很快，并具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特点，利用其来设计电子计步器，已经多有报道，市场上也有产品出售。目前存在的主要问题是计步精度，尽管在加速度的检测上传感器的精度高，但是计步却受到诸多干扰影响，精度难以保证。本文以MEMS加速度传感器。MMA8452Q为基础，研究其工作特性，针对计步干扰信号特点，采取抗干扰措施完成电子式计步器设计。

　　1 系统方案设计

　　1.1 基于加速度信号检测的计步器原理

　　距离、速度、加速度等都可以作为描述人体行走状态的的参数。近年来由于MEMS加速度传感器的快速发展和其特性，使其用于人体运动检测更加方便。

　　行走时，脚、腿、腰部，手臂都在运动，它们的运动都会产生相应的加速度，垂直方向的加速度信号变化最大。人行走一步过程，如图1所示。脚蹬地离开地面是一步的开始(如图1(a)，此时由于地面的反作用力垂直加速度开始增大，身体重心上移，当脚要达到最高位置时(如图1(c)，垂直加速度达到最大，然后脚向下运动，垂直加速度开始减小，直至脚着地，加速度减少至最小值(如图1(e)，接着下一次迈步发生。

　　人体腰部的垂直加速度信号如图2所示，每迈一步对应一个峰值，显然信号具有周期性。利用对加速度的峰值检测可以得到行走的步数。人行走的垂直加速度在±g之间(1g为9.8 m/s2即重力加速度)，考虑到还有重力加速度g的影响，可选择测量范嗣在±2 g之间的加速度传感器来实现计步器。

　　1.2 硬件系统设计

　　计步器硬件系统框图如图3所示。MEMS传感器MMA8452Q负责检测人体加速度信号并转换为数字信号，通过I2C接口传递给控制器;经控制器分析处理，确定为有效的计步信息后，步数加1并送给LCD显示器;按键则将一些设定信息传递给控制器。

　　综合考虑计步器对加速度传感器精度的要求和传感器的价格，选择了飞思卡尔一款比较新的MMA8452Q加速度传感器。这是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三轴、电容式微机械加速度传感器，其主要特性如下：

　　可以感受X，Y，Z 3个自由度的加速度信号，全方位感知人体运动信息。具有±2 g/±4g/±8 g的可选量程。传感器的灵敏度在±2 g量程时为1 024个数字/g，灵敏度精度为±2.5%。

　　采集的加速度数据可以通过传感器内部的高通滤波器实时输出，滤波器的截止频率可以软件设置。也可以不经过滤波器直接数据输出。输出信号已被转换为12位(或8位)数字量信号，经I2C接口输出，输出数据速率在1.25 Hz到800Hz之间可调。

　　传感器内嵌的DSP处理功能使芯片具有中断能力，当设定的“自由下落和运动检测”“瞬态变化检测”“方向检测”“轻敲检测”“数据准备好”“自动休眠”等6种事件中任意一种发生时，配置的中断引脚(INT1或INT2)就可以产生硬件唤醒的中断申请信号，通知控制器处理预定的事件。这样既减轻了控制器不断查询处理数据的负担，也可以节省整体功耗，使其大部分时间处于静止状态保持低功耗模式，同时完成监测任务。

　　在满足计步器功能的前提下，本设计选择价格低廉的AT89S2051单片机作为控制器，主要使用其外部事件中断、定时器中断、并行口等硬件资源。显示屏选择了8位LCD显示器，用于计步信息的实时显示，与主机采用串行方式传递数据。按键主要用于自标定设置。

　　2 抗干扰设计

　　由图2可知，人在行走时的垂直加速度信号虽然具有一定的周期性，但由于传感器灵敏度较高，原地晃动等都会产生于扰噪声，直接计步容易出错。需对信号进行处理，尽可能消除噪声影响。通常情况下，人的步频最快不会超过5步/秒，最慢为0.5步/秒。因此，可以认为原始信号中频率为0.5～5 Hz的信号为有用信号，其他信号均为噪声。我们设计的计步器从下述方面消除干扰信号。

　　2.1 传感器自带抗干扰功能的利用

　　2.1.1 高通滤波器的设置

　　MMA8452Q是数字式传感器，对检测信号的模拟滤波在芯片内部进行，然后转换为数字量后输出。对于“敲击”“轻弹”“摇动”“计步”等信号的检测过程中，加速度传感器只需要分析动态加速度信号，即加速度的变化情况，无需考虑静态情况，因此可以对数据做高通滤波。在传感器MMA8452Q内部有一个内嵌的高通滤波器，可以通过软件设定低频截止频率。根据选择的数据输出速率和数据过采样模式，低频截止频率可以在0.063～16 Hz之间选择。数据通过该滤波器输出，从而消除信号中直流偏置及低频信号的影响。我们设计的计步器截止频率设置在0.5 Hz。

　　2.1.2 中断阈值的使用

　　MMA8452Q传感器有两个外部引脚INT1和INT2。每个引脚通过软件设置可以和6个事件(“自由下落和运动检测”“瞬态变化检测”“方向检测” “轻敲检测”“数据准备好”“自动休眠”)绑定在一起。当传感器检测到任一事件发生时，即可发出中断申请信号，可以避免主控制器频繁读取传感器的数据，减少数据分析及处理工作。