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。

MMA8452Q

Freescale SemiconductorTechnical Data An Energy Efficient Solution by Freescale This document contains certain information on a new product. Specifications and information herein are subject to change without notice. © Freescale Semiconductor, Inc., 2010. All rights reserved. 3-Axis, 12-bit/8-bit Digital Accelerometer

The MMA8452Q is a smart low-power, three-axis, capacitive micromachined accelerometer with 12 bits of resolution. This accelerometer is packed with  embedded functions with flexible user programmable options, configurable to two interrupt pins. Embedded interrupt functions allow for overall power savings relieving the host processor from continuously polling data.  

The MMA8452Q has user selectable full scales of ±2g/±4g/±8g with high pass filtered data as well as non filtered data available real-time. The device can be configured to generate inertial wake-up interrupt signals from any combination of the configurable embedded functions allowing the MMA8452Q to monitor events and remain in a low power mode during periods of inactivity. The MMA8452Q is available in a 3 mm x 3 mm x 1 mm QFN package. 

Features

•1.95 V to 3.6 V supply voltage

•1.6 V to 3.6 V interface voltage 

•±2g/±4g/±8g dynamically selectable full-scale

•Output Data Rates (ODR) from 1.56 Hz to 800 Hz

•99 μg/√Hz noise  

•12-bit and 8-bit digital output  

•I2C digital output interface (operates to 2.25 MHz with 4.7 kΩ pull-up)

•2 programmable interrupt pins for 6 interrupt sources

• 3 embedded channels of motion detection– Freefall or Motion Detection: 1 channel– Pulse Detection: 1 channel– Jolt Detection: 1 channel 

•Orientation (Portrait/Landscape) detection with set hysteresis

•Automatic ODR change for Auto-WAKE and return to SLEEP

•High Pass Filter Data available real-time•Self-Test 

•RoHS compliant 

Typical Applications

•E-Compass applications 

•Static orientation detection (Portrait/Landscape, Up/Down, Left/Right, Back/ Front position identification) 

•Notebook, E-Reader and Laptop Tumble and Freefall Detection 

•Real-time orientation detection (virtual reality and gaming 3D user position  feedback) 

•Real-time activity analysis (pedometer step counting, freefall drop detection  for HDD, dead-reckoning GPS backup) 

•Motion detection for portable product power saving (Auto-SLEEP and Auto-WAKE for cell phone, PDA, GPS, gaming)

•Shock and vibration monitoring (mechatronic compensation, shipping and warranty usage logging)

•User interface (menu scrolling by orientation change, tap detection for button replacement)

• Current Consumption: 6 μA – 165 μA

加速度传感器

加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

加速度传感器应用

范围

通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。

ICP加速度传感器

加速度传感器可以帮助机器人了解它身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。

加速度传感器可以测量牵引力产生的加速度。

案例

加速度传感器应用于地震检波器设计

地震检波器是用于地质勘探和工程测量的专用传感器，是一种将地面振动转变为电信号的传感器，能把地震波引起的地面震动转换成电信号，经过模/数转换器转换成二进制数据、进行数据组织、存储、运算处理。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，典型应用在手机、笔记本电脑、步程计和运动检测等。

加速度传感器技术应用于车祸报警

在汽车工业高速发展的现代，汽车成为了人们出行主要的交通工具之一，但是因交通事故的伤亡数量也十分巨大。在信息化的现代利用高科技去挽救人的生命将会是重大研究的主题之一，基于加速度的车祸报警系统正是怀着这种设计理念，相信这种系统的推广，会给汽车行业带来更多的安全。

加速度传感器应用于监测高压导线舞动

目前国内对导线舞动监测多采用视频图像采集和运动加速度测量两种主要技术方案。前者在野外高温、高湿、严寒、浓雾、沙尘等天气条件下，不仅对视频设备的可靠性、稳定性要求很高，而且拍摄的视频图像的效果也会受到影响，在实际使用中只能作为辅助监测手段，无法定量分析导线运动参数；而采用加速度传感器监测导线舞动情况，虽可定量分析输电导线某一点上下振动和左右摆动的情况，但只能测出导线直线运动的振幅和频率，而对于复杂的圆周运动，则无法准确测量。所以我们必须加快加速度传感器的发展来适应诸如此类环境下进行应用。

具体

汽车安全

加速度传感器主要用于汽车安全气囊、防抱死系统、牵引控制系统等安全性能方面。

在安全应用中，加速度计的快速反应非常重要。安全气囊应在什么时候弹出要迅速确定，所以加速度计必须在瞬间做出反应。通过采用可迅速达到稳定状态而不是振动不止的传感器设计可以缩短器件的反应时间。其中，压阻式加速度传感器由于在汽车工业中的广泛应用而发展最快。

游戏控制

加速度传感器可以检测上下左右的倾角的变化，因此通过前后倾斜手持设备来实现对游戏中物体的前后左右的方向控制，就变得很简单。

图像自动翻转

用加速度传感器检测手持设备的旋转动作及方向，实现所要显示图像的转正。

电子指南针倾斜校正

磁传感器是通过测量磁通量的大小来确定方向的。当磁传感器发生倾斜时，通过磁传感器的地磁通量将发生变化，从而使方向指向产生误差。因此，如果不带倾斜校正的电子指南针，需要用户水平放置。而利用加速度传感器可以测量倾角的这一原理，可以对电子指南针的倾斜进行补偿。

GPS导航系统死角的补偿

GPS系统是通过接收三颗呈120度分布的卫星信号来最终确定物体的方位的。在一些特殊的场合和地貌，如遂道、高楼林立、丛林地带，GPS信号会变弱甚至完全失去，这也就是所谓的死角。而通过加装加速度传感器及以前我们所通用的惯性导航，便可以进行系统死区的测量。对加速度传感器进行一次积分，就变成了单位时间里的速度变化量，从而测出在死区内物体的移动。

计步器功能

加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动，人在走动的时候会产生一定规律性的振动，而加速度传感器可以检测振动的过零点，从而计算出人所走的步或跑步所走的步数，从而计算出人所移动的位移。并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。

防手抖功能

用加速度传感器检测手持设备的振动/晃动幅度，当振动/晃动幅度过大时锁住照相快门，使所拍摄的图像永远是清晰的。

闪信功能

通过挥动手持设备实现在空中显示文字，用户可以自己编写显示的文字。这个闪信功能是利用人们的视觉残留现象，用加速度传感器检测挥动的周期，实现所显示文字的准确定位。

硬盘保护

利用加速度传感器检测自由落体状态，从而对迷你硬盘实施必要的保护。大家知道，硬盘在读取数据时，磁头与碟片之间的间距很小，因此，外界的轻微振动就会对硬盘产生很坏的后果，使数据丢失。而利用加速度传感器可以检测自由落体状态。当检测到自由落体状态时，让磁头复位，以减少硬盘的受损程度。

设备或终端姿态检测

加速度传感器和陀螺仪通常称为惯性传感器，常用于各种设备或终端中实现姿态检测，运动检测等，也就很适合玩体感游戏的人群。加速度传感器利用重力加速度，可以用于检测设备的倾斜角度，但是它会受到运动加速度的影响，使倾角测量不够准确，所以通常需利用陀螺仪和磁传感器补偿。同时磁传感器测量方位角时，也是利用地磁场，当系统中电流变化或周围有导磁材料时，以及当设备倾斜时，测量出的方位角也不准确，这时需要用加速度传感器（倾角传感器）和陀螺仪进行补偿。

智能产品

加速度传感器在微信功能中的创新功能突破了电子产品的千遍一律，这个功能的实现来源传感器的方向、加速表、光线、磁场、临近性、温度等参数的特性。这个原理是手机里面集成的加速度传感器，它能够分别测量X、Y、Z三个方面的加速度值，X方向值的大小代表手机水平移动，Y方向值的大小代表手机垂直移动，Z方向值的大小代表手机的空间垂直方向，天空的方向为正，地球的方向为负，然后把相关的加速度值传输给操作系统，通过判断其大小变化，就能知道同时玩微信的朋友。

加速度传感器分类

压电式

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

压阻式

基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。

电容式

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。

伺服式

伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性 能好、动态范围大和线性度好等特点。其工作原理，传感器的振动系统由 "m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有 加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器 放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。由于有反馈作用，增强了抗干扰的能力，提高测量精度，扩大了测量范围，伺服加速度 测量技术广泛地应用于惯性导航和惯性制导系统中，在高精度的振动测量和标定中也有应用。