基于MMA8452Q加速度傳感器的計(jì)步器設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了基于MMA8452Q加速度傳感器的計(jì)步器設(shè)計(jì)。MMA8452Q是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器。本設(shè)計(jì)充分利用了該傳感器對(duì)被檢測(cè)模擬信號(hào)的濾波處理能力，并配合軟件抗干擾措施，通過(guò)檢測(cè)人行走時(shí)腰部產(chǎn)生的垂直加速度的變化，實(shí)現(xiàn)間接檢測(cè)步數(shù)的目的。設(shè)計(jì)硬件簡(jiǎn)單，計(jì)步精度較高，穩(wěn)定性好，已經(jīng)通過(guò)實(shí)際調(diào)試，具有實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：MMA8452Q;計(jì)步器;單片機(jī);抗干擾

　　伴隨著人們生活質(zhì)量和科技水平的提高，輔助鍛煉設(shè)備不斷出現(xiàn)，計(jì)步器就是一種日常鍛煉監(jiān)測(cè)器，通過(guò)記錄人們行走的步數(shù)，監(jiān)測(cè)自己的健身強(qiáng)度，方便實(shí)用。加速度傳感器可用于間接步數(shù)檢測(cè)。由于近年來(lái)MEMS加速度傳感器發(fā)展很快，并具有價(jià)格低、體積小、功耗低、精度高的特點(diǎn)，利用其來(lái)設(shè)計(jì)電子計(jì)步器，已經(jīng)多有報(bào)道，市場(chǎng)上也有產(chǎn)品出售。目前存在的主要問(wèn)題是計(jì)步精度，盡管在加速度的檢測(cè)上傳感器的精度高，但是計(jì)步卻受到諸多干擾影響，精度難以保證。本文以MEMS加速度傳感器。MMA8452Q為基礎(chǔ)，研究其工作特性，針對(duì)計(jì)步干擾信號(hào)特點(diǎn)，采取抗干擾措施完成電子式計(jì)步器設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　1.1 基于加速度信號(hào)檢測(cè)的計(jì)步器原理

　　距離、速度、加速度等都可以作為描述人體行走狀態(tài)的的參數(shù)。近年來(lái)由于MEMS加速度傳感器的快速發(fā)展和其特性，使其用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)更加方便。

　　行走時(shí)，腳、腿、腰部，手臂都在運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，垂直方向的加速度信號(hào)變化最大。人行走一步過(guò)程，如圖1所示。腳蹬地離開(kāi)地面是一步的開(kāi)始(如圖1(a)，此時(shí)由于地面的反作用力垂直加速度開(kāi)始增大，身體重心上移，當(dāng)腳要達(dá)到最高位置時(shí)(如圖1(c)，垂直加速度達(dá)到最大，然后腳向下運(yùn)動(dòng)，垂直加速度開(kāi)始減小，直至腳著地，加速度減少至最小值(如圖1(e)，接著下一次邁步發(fā)生。

　　人體腰部的垂直加速度信號(hào)如圖2所示，每邁一步對(duì)應(yīng)一個(gè)峰值，顯然信號(hào)具有周期性。利用對(duì)加速度的峰值檢測(cè)可以得到行走的步數(shù)。人行走的垂直加速度在±g之間(1g為9.8 m/s2即重力加速度)，考慮到還有重力加速度g的影響，可選擇測(cè)量范嗣在±2 g之間的加速度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)步器。

　　1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　計(jì)步器硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。MEMS傳感器MMA8452Q負(fù)責(zé)檢測(cè)人體加速度信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)I2C接口傳遞給控制器;經(jīng)控制器分析處理，確定為有效的計(jì)步信息后，步數(shù)加1并送給LCD顯示器;按鍵則將一些設(shè)定信息傳遞給控制器。

　　綜合考慮計(jì)步器對(duì)加速度傳感器精度的要求和傳感器的價(jià)格，選擇了飛思卡爾一款比較新的MMA8452Q加速度傳感器。這是一款具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器，其主要特性如下：

　　可以感受X，Y，Z 3個(gè)自由度的加速度信號(hào)，全方位感知人體運(yùn)動(dòng)信息。具有±2 g/±4g/±8 g的可選量程。傳感器的靈敏度在±2 g量程時(shí)為1 024個(gè)數(shù)字/g，靈敏度精度為±2.5%。

　　采集的加速度數(shù)據(jù)可以通過(guò)傳感器內(nèi)部的高通濾波器實(shí)時(shí)輸出，濾波器的截止頻率可以軟件設(shè)置。也可以不經(jīng)過(guò)濾波器直接數(shù)據(jù)輸出。輸出信號(hào)已被轉(zhuǎn)換為12位(或8位)數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)I2C接口輸出，輸出數(shù)據(jù)速率在1.25 Hz到800Hz之間可調(diào)。

　　傳感器內(nèi)嵌的DSP處理功能使芯片具有中斷能力，當(dāng)設(shè)定的“自由下落和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)”“瞬態(tài)變化檢測(cè)”“方向檢測(cè)”“輕敲檢測(cè)”“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”“自動(dòng)休眠”等6種事件中任意一種發(fā)生時(shí)，配置的中斷引腳(INT1或INT2)就可以產(chǎn)生硬件喚醒的中斷申請(qǐng)信號(hào)，通知控制器處理預(yù)定的事件。這樣既減輕了控制器不斷查詢處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，也可以節(jié)省整體功耗，使其大部分時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)保持低功耗模式，同時(shí)完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

　　在滿足計(jì)步器功能的前提下，本設(shè)計(jì)選擇價(jià)格低廉的AT89S2051單片機(jī)作為控制器，主要使用其外部事件中斷、定時(shí)器中斷、并行口等硬件資源。顯示屏選擇了8位LCD顯示器，用于計(jì)步信息的實(shí)時(shí)顯示，與主機(jī)采用串行方式傳遞數(shù)據(jù)。按鍵主要用于自標(biāo)定設(shè)置。

　　2 抗干擾設(shè)計(jì)

　　由圖2可知，人在行走時(shí)的垂直加速度信號(hào)雖然具有一定的周期性，但由于傳感器靈敏度較高，原地晃動(dòng)等都會(huì)產(chǎn)生于擾噪聲，直接計(jì)步容易出錯(cuò)。需對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，盡可能消除噪聲影響。通常情況下，人的步頻最快不會(huì)超過(guò)5步/秒，最慢為0.5步/秒。因此，可以認(rèn)為原始信號(hào)中頻率為0.5～5 Hz的信號(hào)為有用信號(hào)，其他信號(hào)均為噪聲。我們?cè)O(shè)計(jì)的計(jì)步器從下述方面消除干擾信號(hào)。

　　2.1 傳感器自帶抗干擾功能的利用

　　2.1.1 高通濾波器的設(shè)置

　　MMA8452Q是數(shù)字式傳感器，對(duì)檢測(cè)信號(hào)的模擬濾波在芯片內(nèi)部進(jìn)行，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸出。對(duì)于“敲擊”“輕彈”“搖動(dòng)”“計(jì)步”等信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程中，加速度傳感器只需要分析動(dòng)態(tài)加速度信號(hào)，即加速度的變化情況，無(wú)需考慮靜態(tài)情況，因此可以對(duì)數(shù)據(jù)做高通濾波。在傳感器MMA8452Q內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)嵌的高通濾波器，可以通過(guò)軟件設(shè)定低頻截止頻率。根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)輸出速率和數(shù)據(jù)過(guò)采樣模式，低頻截止頻率可以在0.063～16 Hz之間選擇。數(shù)據(jù)通過(guò)該濾波器輸出，從而消除信號(hào)中直流偏置及低頻信號(hào)的影響。我們?cè)O(shè)計(jì)的計(jì)步器截止頻率設(shè)置在0.5 Hz。

　　2.1.2 中斷閾值的使用

　　MMA8452Q傳感器有兩個(gè)外部引腳INT1和INT2。每個(gè)引腳通過(guò)軟件設(shè)置可以和6個(gè)事件(“自由下落和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)”“瞬態(tài)變化檢測(cè)”“方向檢測(cè)” “輕敲檢測(cè)”“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”“自動(dòng)休眠”)綁定在一起。當(dāng)傳感器檢測(cè)到任一事件發(fā)生時(shí)，即可發(fā)出中斷申請(qǐng)信號(hào)，可以避免主控制器頻繁讀取傳感器的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)分析及處理工作。