基于MMA8452Q加速度传感器的计步器设计

　　引脚INT1和INT2可以配置成“推挽”或“开漏”输出方式，即可以“高电平有效”也可以“低电平有效”。如果被配置成“开漏”输出方式并且外带上拉电阻，该引脚就被设置为“低电平有效”，刚好与8051单片机的外部中断信号吻合。

　　计步器设计将中断引脚INT1与“运动检测”事件绑定在一起，当人体迈步时垂直加速度开始增加，当达到预定的阈值时，中断申请信号发出，通知控制器读取当前加速度值，经进一步分析确定是否是有效计步信号。中断使用的关键是合理阈值的确定。

　　该传感器在静止时显示一个g(重力加速度)，当人体运动时，运动加速度与重力加速度叠加。传感器可以输出12位二进制加速度值，该数值是有符号数，正数的最大值为7FFH。本计步器量程选择的是2 g，传感器静止时感受重力加速度为g，所以显示数值为3FFH。通过实验获取了大量的数据，分析每迈一步加速度的变化情况。选取加速度值大于g的数据为研究对象，将它们显示的数据转化为十进制数。3FF对应的十进制数是1023，对应的加速度为g。从而得出1个LSB所对应的加速度值为0.000 98 g。我们试验程序采集的数据如表1所示，数据表明每走一步，可以收到2～3组数据，其中至少有一组超过1.1g，表中带下划线的数据为超过1.1 g的加速度值。

　　当试验人员原地晃动时，得到的10组加速度值如表2所示。

　　经过对人行走、跑步、晃动等加速度变化的分析，综合考虑选取1.1 g为加速度阈值。在MMA8452Q传感器中有一个阈值寄存器，数值范围为0～127，阈值最低分辨率为0.063 g/LSB。1.1 g/0.063 g=17.46.四舍五入到18，所以阈值寄存器中送阈值12H。

　　2.2 软件抗干扰方法

　　2.2.1 时间窗口的限制

　　利用传感器自身的滤波和阈值中断的方法，能够减少频率较低、幅度较小的干扰，但是仍然会有误计数的可能，特别是多计数。需要采取软件抗干扰滤波方法，进一步滤除无用信号。根据图2所示垂直加速度的信号波形，两次峰值是有时间间隔的，根据资料显示，人行走的频率一般在110步/分钟(1.8 Hz)，跑步时的频率不会超过5 Hz。如果选择1～5 Hz，对应的时间间隔是1 000～200毫秒。利用定时中断记录两次外部中断时间间隔，如果在有效范围内，则为有效计步一次，否则无效。

　　实际上正常行走的任一段时间内，步频的变化都会集中在峰值频率附近的一个小范围内，而不是0.5～5 Hz这么宽。由于每个人的步频是不同的，可以采用下述的自标定方法得到个人步频的峰值频率和变动范围，再采用时间窗口的限制，检测的准确度更高。

　　2.2.2 自标定方法

　　计步器配置了两个按键：“直接计步按键”、“自标定按键”。如果计步器工作后直接按下“直接计步按键”，计步器按1～5Hz的行走频率设置时间窗口，并按这个参数进行数据分析。如果计步器工作后先按下“自标定按键”，则进入自标定过程。连续行走10步，每走1步要同时按下“自标定按键”一次。计步器会记录10次的时间间隔ti(i=0～9)，求出平均值Tp，及偏差vi=|ti-Tp|(i=0～9).南此确定个人的行走频率范围，并利用时间窗口的限制进行数据分析，可以得到较高的准确度。

　　2.2.3 计步器主要程序流程图

　　计步器的主程序流程图如图4所示，外部中断流程图如图5所示。开始工作后首先进行初始化、显示初始界面，然后等待按键信号。如果按下“直接计步键”，则使能外部事件中断，等待外部中断的到来。当MMA8452Q加速度传感器检测到外界加速度大于所设阈值，将会产生中断信号，单片机进入中断程序后，读取传感器的加速度数据，并读取自上一次外部中断后的时间间隔，如果时间间隔在有效区间内，则本次数据有效，计步数据加1，并将计时单元清零，为下一次中断做准备。

　　如果先按下“自标定键”，则先进入自标定过程(如前所述)，然后再按下“直接计步键”，则按照自标定过程获得的步频参数进行数据分析。

　　定时中断程序比较简单，单纯的计时供计步分析使用，这里不再赘述。

　　在传感器的初始化中，配置MMA8452Q为运动检测方式，包括如下步骤：

　　1)使传感器进入待机模式;2)使能垂直方向运动检测和锁存;3)设定运动检测阈值;4)设置去抖计数器以消除虚假读数;5)启用系统中的运动/自由落体中断功能;6)将传感器切换到主动模式。表3中列出了配置MMA8452Q的运动检测或自由落体检测的重要寄存器。

　　3 结论

　　文中介绍了基于MEMS加速度传感器MMA8452Q的计步器设计方案，充分利用该传感器对模拟信号检测的滤波处理能力，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变化，实现间接检测步数的目的。该设计硬件简单，实现方便。试验结果表明：能够较好地适应不同步频情况，计步精度较高，稳定性好。