基于ＡＤＸＬ２０２的计步器

2004-03-14庞晶牟为华

电子世界 2004年2期

庞　晶　牟为华

随着社会的发展，人们越来越注重自己的健康，跑步成为一种方便而又有效的锻炼方式。但是如何知道自己跑了多少步，多远的路程？计步器可以帮助人们实时掌握锻炼情况。它的主要功能是检测步数，通过步数和步幅可计算行走的路程。步幅信息可通过行走固定的距离如20m来计算或是直接输入，高级的计步器还可以计算人体消耗的热量。但这些计算的主要依据是步数的检测。下面介绍一种加速度传感器ADXL202在步数检测中的应用。

计步器原理

要实现检测步数首先要对人走路的姿态有一定了解。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，并且会在某点有一个峰值。从脚的加速度来检测步数是最准确的，但是考虑到携带的方便，我们选择利用腰部的运动来检测步数。如图1所示，行走时腰部有上下的垂直运动，每步开始时会有一个比较大的加速度，利用对加速度的峰值检测可以得到行走的步数。

图2是将计步器佩戴在腰间采集到的垂直加速度曲线图，从图上可以清楚地看出有四个峰值，代表行走了四步，说明利用腰部的垂直加速度来检测步数是可行的。

根据资料显示，人行走的垂直加速度在±1g之间（1g为9.8m/s即重力加速度），考虑到还有重力加速度的影响，可选择测量范围在±2g之间的加速度传感器ADXL202来实现计步器。ADXL202是美国AD公司的一种低功耗、二维加速度传感器，输出如图3所示占空比（T1/T2）与加速度成一定比例的数字信号，因此信号可以直接用单片机的计数器来测量，无需AD转换电路或是其它特殊电路。

硬件设计

计步器的整机原理框图如图4所示，ADXL202采集加速度信息并将数据送到单片机进行处理；单片机控制整个系统的工作并从数据中检测出步数送到LCD进行显示；外部控制按键进行开关机控制以及功能选择等。

本文不对电源转换、LCD显示等电路做详细介绍，重点介绍ADXL202芯片的电路设计。ADXL202可以输出X、Y两路信号，由于我们只测量垂直方向上的加速度，只用一路信号即可，需要注意的是，设计PCB时要摆放好芯片位置，保证使用时此路与水平面垂直。从图5可以看出ADXL202的电路设计并不复杂，在使用时我们要得到有用的信号需要设定它的采样频率和采样带宽。上述两个量是由电路图中的电阻Rset和电容Cx的取值所决定的。

采样频率过低，不能准确反应数据的变化情况；过高则引入很多无用信息，增加了系统运算量，需要根据实际情况选择合适的采样频率。根据资料显示，人行走的频率一般在110步/分钟（1.8Hz）,跑步时的频率不会超过5Hz，选择100Hz的采样频率可以比较准确地反应加速度变化。1/T2即为数据的采样频率，计算方法为T2=RSET(Ω)/125MΩ。RSET的范围可从500kΩ~2MΩ,这里我们选择RSET=1.25MΩ，采样频率为100Hz。

滤波带宽定义为需要检测的最高频率, 由滤波电容Cx设定，带宽的设定会影响噪声的大小和分辨率。从附表中可以看出，带宽越小，噪声就越小，而分辨率会越高，减小滤波带宽对减小噪声和提高分辨率都是有利的。但是，图2的数据曲线中越尖的地方含有的高频分量就越多，滤波带宽减小，采集到的数据曲线就变光滑，峰值相应变小，这对我们进行峰值检测是不利的。因此我们折中取滤波带宽50Hz,根据公式F_-3dB=1/(2π(32kΩ×C(x,y))计算，Cx选择0.10μF。

设定了采样频率和滤波带宽，按芯片手册连好电路图，应该得到如图3所示的数据波形，此时T2为10ms。

软件设计

根据得到的X轴数据通，过软件处理可以获得我们需要的加速度信息。

加速度的计算公式如下：

一般情况下0g（即加速度为零）时的占空比为50%，1g时的占空比为12.5%,则A(g)=（T1/T2-0.5)/0.125。

从芯片手册上可以看出0g时的占空比芯片个体差异很大，从25%~75% 都有可能，要准确地计算加速度必须对0g和1g时的占空比进行校准。另外，计算加速度需要进行两次除法运算。以上两个因素使加速度的获取需要经过复杂的计算，考虑到我们的最终目的是检测加速度的峰值个数，而对加速度的具体值究竟是多少并不关心，T1完全可以反应加速度的变化趋势，因此选择对T1进行测量和检测峰值即可得到我们所需的步数。