加速度传感器计步器设计及其性能提高(外文翻译)

基于加速度传感器的计步器及性能提高

摘要：计步器可以帮助人们实时掌握锻炼情况，它通过检测人体行走步数和步幅可计算出行走的路程。为了提高计步器的准确性，借助MATLAB仿真工具，充分利用加速度传感器输出的三轴加速度信号，经分别处理后．利用基于信号能量自适应门限来检测加速度信号的峰值个数，从而准确地计算出人体行走的步数。最后。对年轻人与老年人行走数据进行采集，通过文中方法与传统方法处理后进行对比。实验结果表明，相对于传统方法，基于信号能量自适应门限检测方法具有更好的性能．能有效地提高计步器的准确度。

关键词：加速度传感器，单片机，微机电系统，低功耗。

1、介绍

计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。如今，先进的计步器利用MEMS（微机电系统）惯性传感器和复杂的软件来精确检测真实的步伐。MEMS惯性传感器可以更准确地检测步伐，误检率更

低。MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点，因此越来越多的便携式消费电子设备开始集成计步器功能，如音乐播放器和手机等。ADI公司的3轴加速度计ADXL335, ADXL345和 ADXL346小巧纤薄，功耗极低，非常适合这种应用。文章介绍了加速度传感器的工作原理、结构及功能，设计出了一种基于加速度传感器的电子计步器。实验中由加速度传感器获取步态的加速度信号，单片机的内置模数转换器对其进行采样和A/D 转换后，就得到了步态的特征数据，此数据通过并口被送入单片机中经过一定的算法，输出在LCD 液晶显示屏上显示。

人体行走时的行为可以通过很多参数来描述，但不同的参数反映着不同的方面，本文主要是测量人行走步数，以达到及时了解自己每日行走的步数及运动量并进行及时调节和锻炼的目的，人行走的行为可以通过距离、速度、加速度等参数来描述，不同的参数有着不同的精确度，通过检测人行走时的加速度信号可以有效的获得步数信息。而人行走时在水平前向、侧向和垂直方向上都有加速度，如下图所示：

ADXL335是三轴(X 轴，Y 轴，Z 轴)加速度传感器，正好可以对人行走时的三个方向的加速度信号进行检测，从而更精确的获取人行走时

的信息。

图2.ADXL335功能框图

图3.从一名跑步者测得的x、y和z轴加速度的典型图样

2、加速度传感器的原理

加速度是速度变化量与发生这一变化所用时间的比值（△V/△t），是描述物体速度改变快慢的物理量，通常用a表示，a=F/m,加速度只和施加在物体上合力F，和物体的质量有关，与速度和时间无关。

重力加速度：地球表面附近的物体因受重力产生的加速度叫做重力加速度，也叫自由落体加速度，用g表示。重力加速度g的方向总是竖直向下的。在同一地区的同一高度，任何物体的重力加速度都是相同的。惯性传感器：应用惯性原理和测量技术，感受载体运动的加速度、位置和姿态的各种敏感装置。如加速度传感器，MEMS是指可批量制作的，集微型机械结构构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。现在的加速度传感器，陀螺仪都是基于MEMS的。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是"对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应"。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，

比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，谐振式，隧穿式，等，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。二轴加速度传感器能够同时检测两个方向（x轴，y轴）上的加速度。三轴加速度传感器能够同时检测三个方向上的加速度，x，y，z。

图4.传感器检测原理垂直剖面图

3、加速度传感器算法

首先，为使加速度图样所示的信号波形变得平滑，需要一个数字滤波器。可以使用四个寄存器和一个求和单元，如图5所示。当然，可以使用更多寄存器以使加速度数据更加平滑，但响应时间会变慢。

图5.数字滤波器

图6显示了来自一名步行者所戴计步器的最活跃轴的滤波数据。对于跑步者，峰峰值会更高。

图6.最活跃轴的滤波数据

动态阈值和动态精度：系统持续更新3轴加速度的最大值和最小值，每采样50次更新一次。平均值(Max + Min)/2称为“动态阈值”。接下来的50次采样利用此阈值判断个体是否迈出步伐。由于此阈值每50次采样更新一次，因此它是动态的。这种选择具有自适应性，并且足够快。除动态阈值外，还利用动态精度来执行进一步滤波，如图7所示。

图7. 动态阈值和动态精度

利用一个线性移位寄存器和动态阈值判断个体是否有效地迈出

一步。该线性移位寄存器含有2个寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。这些寄存器中的数据分别称为sample_new和sample_old。当新采样数据到来时，sample_new无条件移sample_old 入寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取决于下述条件：如果加速度变化大于预定义精度，则最新的采样结果sample_result移入sample_new寄存器，否则sample_new寄存器保持不变。因此，移位寄存器组可以消除高频噪声，从而保证结果更加精确。

步伐迈出的条件定义为：当加速度曲线跨过动态阈值下方时，加速度曲线的斜率为负值(sample_new < sample_old)。 .