摘要：介绍了依据MMA8452Q加速度传感器的计步器规划。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。本规划充分运用了该传感器对被检测模仿信号的滤波处理才能，并合作软件抗搅扰办法，经过检测人行走时腰部发生的笔直加速度的改变，完结直接检测步数的意图。规划硬件简略，计步精度较高，稳定性好，现现已过实践调试，具有有用价值。
关键词：MMA8452Q;计步器;单片机;抗搅扰
伴随着人们日子质量和科技水平的进步，辅佐训练设备不断出现，计步器便是一种日常训练监测器，经过记载人们行走的步数，监测自己的健身强度，便利有用。加速度传感器可用于直接步数检测。因为近年来MEMS加速度传感器开展很快，并具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特色，运用其来规划电子计步器，现已多有报导，市场上也有产品出售。现在存在的首要问题是计步精度，尽管在加速度的检测上传感器的精度高，可是计步却遭到许多搅扰影响，精度难以确保。本文以MEMS加速度传感器。MMA8452Q为根底，研讨其作业特性，针对计步搅扰信号特色，采纳抗搅扰办法完结电子式计步器规划。
1 体系方案规划
1.1 依据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绘人体行走状况的的参数。近年来因为MEMS加速度传感器的快速开展和其特性，使其用于人体运动检测愈加便利。
行走时，脚、腿、腰部，手臂都在运动，它们的运动都会发生相应的加速度，笔直方向的加速度信号改变最大。人行走一步进程，如图1所示。脚蹬地脱离地上是一步的开端(如图1(a)，此刻因为地上的反作用力笔直加速度开端增大，身体重心上移，当脚要到达最高方位时(如图1(c)，笔直加速度到达最大，然后脚向下运动，笔直加速度开端减小，直至脚着地，加速度削减至最小值(如图1(e)，接着下一次跨步发生。
人体腰部的笔直加速度信号如图2所示，每迈一步对应一个峰值，明显信号具有周期性。运用对加速度的峰值检测可以得到行走的步数。人行走的笔直加速度在±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，可挑选丈量范嗣在±2 g之间的加速度传感器来完结计步器。
1.2 硬件体系规划
计步器硬件体系框图如图3所示。MEMS传感器MMA8452Q担任检测人体加速度信号并转换为数字信号，经过I2C接口传递给控制器;经控制器剖析处理，确认为有用的计步信息后，步数加1并送给LCD显现器;按键则将一些设定信息传递给控制器。
归纳考虑计步器对加速度传感器精度的要求和传感器的价格，挑选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、%&&&&&%式微机械加速度传感器，其首要特性如下：
可以感触X，Y，Z 3个自在度的加速度信号，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%。
收集的加速度数据可以经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处理功用使芯片具有中止才能，当设定的“自在下落和运动检测”“瞬态改变检测”“方向检测”“轻敲检测”“数据准备好”“自动休眠”等6种事情中恣意一种发生时，装备的中止引脚(INT1或INT2)就可以发生硬件唤醒的中止请求信号，告诉控制器处理预订的事情。这样既减轻了控制器不断查询处理数据的担负，也可以节约全体功耗，使其大部分时刻处于停止状况坚持低功耗形式，一起完结监测使命。
在满意计步器功用的前提下，本规划挑选价格低廉的AT89S2051单片机作为控制器，首要运用其外部事情中止、守时器中止、并行口等硬件资源。显现屏挑选了8位LCD显现器，用于计步信息的实时显现，与主机选用串行办法传递数据。按键首要用于自标定设置。
2 抗搅扰规划
由图2可知，人在行走时的笔直加速度信号尽管具有必定的周期性，但因为传感器灵敏度较高，原地晃动等都会发生于扰噪声，直接计步简略犯错。需对信号进行处理，尽或许消除噪声影响。通常状况下，人的步频最快不会超越5步/秒，最慢为0.5步/秒。因而，可以以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。咱们规划的计步器从下述方面消除搅扰信号。
2.1 传感器自带抗搅扰功用的运用
2.1.1 高通滤波器的设置
MMA8452Q是数字式传感器，对检测信号的模仿滤波在芯片内部进行，然后转换为数字量后输出。关于“敲击”“轻弹”“摇摆”“计步”等信号的检测进程中，加速度传感器只需求剖析动态加速度信号，即加速度的改变状况，无需考虑静态状况，因而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，可以经过软件设定低频截止频率。依据挑选的数据输出速率和数据过采样形式，低频截止频率可以在0.063～16 Hz之间挑选。数据经过该滤波器输出，然后消除信号中直流偏置及低频信号的影响。咱们规划的计步器截止频率设置在0.5 Hz。
2.1.2 中止阈值的运用
MMA8452Q传感器有两个外部引脚INT1和INT2。每个引脚经过软件设置可以和6个事情(“自在下落和运动检测”“瞬态改变检测”“方向检测” “轻敲检测”“数据准备好”“自动休眠”)绑定在一起。当传感器检测就任一事情发生时，即可宣布中止请求信号，可以防止主控制器频频读取传感器的数据，削减数据剖析及处理作业。
引脚INT1和INT2可以装备成“推挽”或“开漏”输出办法，即可以“高电平有用”也可以“低电平有用”。假如被装备成“开漏”输出办法而且外带上拉电阻，该引脚就被设置为“低电平有用”，刚好与8051单片机的外部中止信号符合。
计步器规划将中止引脚INT1与“运动检测”事情绑定在一起，当人体跨步时笔直加速度开端添加，当到达预订的阈值时，中止请求信号宣布，告诉控制器读取当时加速度值，经进一步剖析确认是否是有用计步信号。中止运用的关键是合理阈值的确认。
该传感器在停止时显现一个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。本计步器量程挑选的是2 g，传感器停止时感触重力加速度为g，所以显现数值为3FFH。经过实验获取了很多的数据，剖析每迈一步加速度的改变状况。选取加速度值大于g的数据为研讨目标，将它们显现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。然后得出1个LSB所对应的加速度值为0.000 98 g。咱们实验程序收集的数据如表1所示，数据标明每走一步，可以收到2～3组数据，其间至少有一组超越1.1g，表中带下划线的数据为超越1.1 g的加速度值。
当实验人员原地晃动时，得到的10组加速度值如表2所示。
经过对人行走、跑步、晃动等加速度改变的剖析，归纳考虑选取1.1 g为加速度阈值。在MMA8452Q传感器中有一个阈值寄存器，数值规模为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 软件抗搅扰办法
2.2.1 时刻窗口的约束
运用传感器本身的滤波和阈值中止的办法，可以削减频率较低、起伏较小的搅扰，可是仍然会有误计数的或许，特别是多计数。需求采纳软件抗搅扰滤波办法，进一步滤除无用信号。依据图2所示笔直加速度的信号波形，两次峰值是有时刻距离的，依据材料显现，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越5 Hz。假如挑选1～5 Hz，对应的时刻距离是1 000～200毫秒。运用守时中止记载两次外部中止时刻距离，假如在有用规模内，则为有用计步一次，不然无效。
实践上正常行走的任一段时刻内，步频的改变都会会集在峰值频率邻近的一个小规模内，而不是0.5～5 Hz这么宽。因为每个人的步频是不同的，可以选用下述的自标定办法得到个人步频的峰值频率和改变规模，再选用时刻窗口的约束，检测的准确度更高。
2.2.2 自标定办法
计步器装备了两个按键：“直接计步按键”、“自标定按键”。假如计步器作业后直接按下“直接计步按键”，计步器按1～5Hz的行走频率设置时刻窗口，并按这个参数进行数据剖析。假如计步器作业后先按下“自标定按键”，则进入自标定进程。接连行走10步，每走1步要一起按下“自标定按键”一次。计步器会记载10次的时刻距离ti(i=0～9)，求出平均值Tp，及误差vi=|ti-Tp|(i=0～9).南此确认个人的行走频率规模，并运用时刻窗口的约束进行数据剖析，可以得到较高的准确度。
2.2.3 计步器首要程序流程图
计步器的主程序流程图如图4所示，外部中止流程图如图5所示。开端作业后首先进行初始化、显现初始界面，然后等候按键信号。假如按下“直接计步键”，则使能外部事情中止，等候外部中止的到来。当MMA8452Q加速度传感器检测到外界加速度大于所设阈值，将会发生中止信号，单片机进入中止程序后，读取传感器的加速度数据，并读取自上一次外部中止后的时刻距离，假如时刻距离在有用区间内，则本次数据有用，计步数据加1，并将计时单元清零，为下一次中止做准备。
假如先按下“自标定键”，则先进入自标定进程(如前所述)，然后再按下“直接计步键”，则按照自标定进程取得的步频参数进行数据剖析。
守时中止程序比较简略，单纯的计时供计步剖析运用，这儿不再赘述。
在传感器的初始化中，装备MMA8452Q为运动检测办法，包含如下过程：
1)使传感器进入待机形式;2)使能笔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伪读数;5)启用体系中的运动/自在落体中止功用;6)将传感器切换到自动形式。表3中列出了装备MMA8452Q的运动检测或自在落体检测的重要寄存器。
3 定论
文中介绍了依据MEMS加速度传感器MMA8452Q的计步器规划方案，充分运用该传感器对模仿信号检测的滤波处理才能，合作软件抗搅扰办法，经过检测人行走时腰部发生的笔直加速度改变，完结直接检测步数的意图。该规划硬件简略，完结便利。实验结果标明：可以较好地习惯不同步频状况，计步精度较高，稳定性好。
