第一篇：MEMS加速度传感器简介(最终版)
MEMS电容式加速度传感器
学校：哈尔滨工业大学（威海）
学院：信息与电气工程学院
专业：电子科学与技术
作者：胡诣哲090260207
纪鹏飞090260208
摘
要
本文从MEMS电容式加速度传感器的基本原理切入，主要介绍了该类型传感器的原理和三种主要结构：三明治式、扭摆式、梳齿式及其各自结构方面优点。同时介绍目前应用较为广泛的集成式的基于电容原理的芯片MMA7455，主要分析了该集成传感器的内部结构和应用。
关键字：MEMS，电容式，加速度传感器，MMA7455
Abstract In this paper, we discussed the MEMS capacitive accelerometer from its fundamental principle and its three main structure which are sandwich, twist, and comb.Different structures have their own advantages.We also give the introduction to a popular IC accelerometer MM7455, putting an emphasis on its internal structure and some applications.Key words:MEMS, capacitive, accelerometer, MMA745
5一、引言
1.1 MEMS加速度传感器简介
MEMS(Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS技术是一项有着广泛应用前景的基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS传感器，集成度高，并可与信号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极大发展。
MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热对流式等。本文主要介绍MEMS电容加速度传感器。
二、传感器工作原理与常见结构
2.1 MEMS电容式加速度传感器工作原理
电容式微加速度传感器的基本结构是质量块与固定电极构成的电容。当加速度使质量块产生位移时改变电容的重叠面积或间距。检测到的电容信号经过前置放大、信号调理后，以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。
如图1所示，电容式加速度传感器由两块固定电极夹着一块活动电极。在静止的情况下，活动电极与两块固定电极的距离均为d0形成两个大小为C0的串联的电容。
当加速度传感器检测加速度时，活动电极受加速度力产生位移，两个电容的d发生变化。根据平行板电容的计算公式：
SCr0d
可知两个电容的大小将发生变化。由于此时电容值和极板间隙不是线性关系，常常采用差动电容检测方式以解决线性问题：
C
r0Sd0dr0Sd0d2r0Sd2d0
上式在dd时成立。
图2-1 MEMS电容式加速度传感器工作示意图
2.2 MEMS电容加速度传感器的常见结构
2.2.1三明治式
所谓“三明治”结构，就是指检测质量夹在两块玻璃片之间的结构形式，如图3-1所示。固定电极分布在活动电极两边，敏感质量块的上下两面均作为动极板。当有加速度作用时，敏感质量块发生摆动，一对电容极板间的间距变大，而另一对电容极板闭的问距变小，从而形成差动检测电容。这种结构需要双面光刻，加工工艺设备较多．器件加工制造难度较大：井因为悬臂支撑梁所能承受的应力有限，这种传感器所能测量的最大加速度值较小。
图2-2三明治式电容加速度计结构示意图
2.2.2 扭摆式
扭摆式是基于三明治式，扭摆式微加速度计的两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧形成的。由图3—2扭摆式微加速度计的结构可以看出，位于支承弹性粱两边的敏感质量和惯性矩不相等，当有垂直于基片的外界加速度作用时，敏感质量片将围绕支承弹性粱扭转，结构电容大小发生变化，一对结构电容增大，一对结构电容减小．从而形成结构差动电容，测量此差动电容值即可得到外界输入的加速度载荷大小。这种传感器结构比较简单，不需要双面光刻．且能进行较大加速度值的测量。
图2-3 扭摆式电容加速度计结构示意图
图2-4 跷跷板式扭摆式电容加速度计结构示意图
2.2.3疏齿式
梳齿式电容加速度计利用若干对梳齿形状的电极形成检测电容和加力电容，它的一个明显优点就是利用增加电极数的方式来增大检测电容。梳齿有定齿和动齿两种，定齿固定在基片上，动齿则附着在检测质量上。检测质量由弹簧支撑于基片上。当有外部加速度输入时，动齿随同检测质量一起运动，并产生微位移，引起动齿与定齿之间电容的变化，电容的变化量可以通过检测电路检测出来，进而检测出微位移和输入加速度的值。其键台强度高、面积大、难度低，键台接触电阻小、均匀且成品率高，提高了加速度计的分辨率和精度。但是结构相对比较复杂，加工起来难度较大。
图2-5 疏齿式电容加速度计结构示意图
三、MMA7455三轴加速度传感器
3.1 MMA7455内部结构
MEMS加速度传感器主要有两部分：微电子技术加工的电容性机械系统（Micro Electro Mechanical System）和带有闭环反馈的信号转换控制系统ASIC（Application System Integrated Circuit）。MMA7455内部由三轴加速度传感器、多路开关、C—V转换器、放大电路、AD转换、以及控制电路与输出
驱动电路，如图3-1所示。
图3-1 MMA7455内部结构
3.2 MMA7455应用
3.2.1 MMA7455加速度测量
MMA7455可以设置三种模式2g、4g和8g，不同模式下测量精度不同输出也不同。根据三轴检测数据的输出与芯片工作模式可以计算出不同轴方向加速度分量大小，最后求出加速度方向与大小。图3-2为2g模式下芯片不同放置X、Y、Z的输出。
图3-2
由图可以看出芯片纵向为X轴方向，横向为Y轴方向，垂直方向为Z轴。对于传感器模式的选择及g值的选择强调不同的应用环境。一般来说1.5g适合自由落体与精确的倾斜补偿的应用，2g适合手持运动检测与游戏控制器，4g适合低振动监控、运输与处理，8g适合高震动监控与较高震动的读取。合适选取模式可以获得较高的精确度。
3.2.2 MMA7455倾角测量
加速度传感器可以用于多种场合的检测与监控，如倾斜度的侦测、运动检测、定位侦测、震动侦测、振动侦测以及自由落体等。利用三轴加速度传感器计算单轴倾角。图3-3是倾角测量图解。这时加速度输出与倾角的关系
所以γ可以用反正切方程求的
图3-3倾角测量图解
四 总结
本文介绍了电容式微机械加速度传感器工作原理，结构组成以及飞思卡尔半导体公司的MMA7455三轴加速度传感器芯片内部组成、测量应用等。电容式加速度微传感器具有灵敏度高、直流响应和噪声特性好、温漂低、低温灵敏度好、功耗低等优点。
参 考 文 献
[1] 刘晓宁《半导体传感器》 哈尔滨工业大学（威海）2011
[2] 孙以材编著 《微电子机械加工系统(MEMS)技术基础》 冶金工业出版社 2009 [3] Sadra/Smith 《Microelectronics Circuits》电子工业出版社2006
[4] 王巍等 基于微机械传感器的倾角传感器 2010
[5] Freescale Semiconductor, Inc.MMA7455 Device User Guide.
第二篇：传感器实训室简介
衡水职业技术学院
机电工程系传感器实训室简介
传感器实训室是机电工程系专业实训室之一，该实训室可承担机电系应用电子技术、机电一体化技术、电气自动化技术专业的传感器技术与应用课程的实验或实训。
实训室主要设备：
浙江天煌科技实业有限公司的THSCCG-1实验台。
实验台主要由试验台部分、三源板部分、处理（模块）电路部分和数据采集通讯部分组成。
实训室可进行的实训项目：
结合本装置的数据采集系统，可以完成大部分常用传感器的实验及应用，个别涉及频率特性测试的实验需要普通20MHz带宽示波器完成。实验内容包括金属箔应变传感器、差动变压器、差动电容、霍耳位移、霍耳转速、磁电转速、扩散硅压力传感器、压电传感器、电涡流传感器、光纤位移传感器、光电转速传感器、集成温度传感器（AD590）、K型、E型热电偶、PT100铂电阻、湿敏传感器、气敏传感器共17种，三十多个实验。
第三篇：ICP加速度传感器调理电路设计本科毕业设计2
第二章
ICP加速度传感器简介
2.1 压电式加速度传感器的结构与原理
2.1.1 压电式加速度传感器结构
压电式传感器是由压电效应制作，其机构原理图如图2.1所示，它是一种机电转换式与自发电式的传感器。它的感应器件是采用压电材料制成的。当压电材料受到力作用之后表面会产生一定量的电荷。电荷通过电荷放大器放大、测量电路放大和变换阻抗后就成为与所受外力成正比的电量输出。它的优点是信噪比很高、灵敏度高、频带较宽、重量较轻、结构简单、和工作性能可靠等。缺点则是某些压电材料需要良好的防水防潮防有害气体措施，而直流输出响应比较差，这就需要采用电荷放大器来克服这一条件，在缺少电荷放大器的情况下，也可以采用具有高输入阻抗的电路来满足要求。
图2.1压电式传感器结构原理图
2.1.2 典型的电荷放大系统
除了在上面已经提到了压电式传感器的特点和优点外，它也有自己的缺点，那就是某些压电材料需要良好的防潮措施，而且输出的直流响应差，所以一般都需要配套的放大器电路，图2.2为典型的电荷放大测试系统。
图2.2 典型电荷放大测试系统
在冲击与振动测试中应用最为广泛的就是压电式加速度传感器，但由于其压敏元件具有非常高的阻抗，而且它产生的是微弱的电荷信号，因此需要将传感器产生的高阻抗的输出信号通过一个前置放大器转换成低阻抗的信号。
常用的前置放大器可以分为电荷放大器和电压放大器两种。虽然电缆分布电容对电荷放大器的干扰不大，灵敏度不会受到太大影响，但是由于当弯曲或者振动电缆时，屏蔽层与绝缘体会因为存在相对移动造成摩擦，产生静电荷，从而产生电缆噪声，同样的道理，电缆芯线与绝缘体也会因此而对测试产生干扰。结构简单的电压放大器尽管，稳定性和线性度良好，电缆分布电容的存在会干扰电荷放大器，从而影响到灵敏度。这些情况都会给测试工作带来较大麻烦，由此ICP传感器应运而生[21]。
2.1.3 ICP传感器测试系统
ICP（Integrated Circuits Piezoelectric）传感器本质就是内置了集成电路电荷放大器的压电传感器。与前面所讲的外部连接前置放大器的压电传感器相对比，它弥补了上述的不足。具有代表性的ICP传感器测试系统通过恒流源供电，并且信号输出线路直接与供电电缆相连接，输出的信号为低阻抗形式的信号。整个测试系统包括ICP加速度传感器，普通的双芯电缆和一个能够为传感器连续供电的电源模块。恒流源模块为ICP传感器供电，并从中读取振动信号，典型的ICP测试系统如图2.3所示：
图2.3典型的ICP测试系统
2.2 ICP传感器的选型
ICP加速度传感器有很多型号，每种型号都有自己适用的某种特定用途。为了使测试数据准确度更高，我们需要基于测试系统的适用要求，选择最合适的ICP传感器。一般来讲，重量，灵敏度和频率响应是选择ICP加速度传感器最主要的参考因素。
2.2.1 重量
传感器自身有质量，附加在被测物体上，自然会影响其运动状态。而如果ICP传感器的质量比较大，或者是被测物体的质量比较小，是传感器接近于被测物体的动态质量，那么被测物体的振动就会由于受到干扰而有所减弱。对于有些被测物体，可能整体质量非常大，但在安装ICP加速度传感器的部位，典型的比如一些薄壁结构，传感器的质量已经与结构的局部质量在一个数量级或者非常接近，这样传感器将会使局部运动状态受到干扰和影响。因此，在工程实际中，传感器的质量ma需要远小于被测装置传感器安装点的运动质量m。
因为受到传感器质量的干扰，被测装置的振动加速度a会有所减小，其减小的加速度△a可以使用下式进行粗略计算: △a =a[1-m/(ma+m)]……………………………………………………(式2.1)
2.2.2 灵敏度
系统的信噪比、分辨率和抗干扰能力是与传感器的灵敏度成正比的。就特定功能的传感器来讲，灵敏度与传感器的重量成正比，与谐振频率和量程成反比。因此灵敏度的选择主要考虑这三个方面，即重量、量程和频率响应。此外，在满足这三方面的要求下，我们还要考虑传感器的灵敏度，当然越高越好，这样有利于提高系统的信噪比。2.2.3 频率响应特性
高频响应特性：ICP传感器使用手册给出的上限截止频率为+10%频响，粗略计算为安装谐振频率的1/3。在要求上限截止频率误差为+5%的情况下，大概为安装谐振频率的1/5。如果设置适当的校正系数，则在更高的频率范围内依然能够获取非常可靠的检测数据。
低频响应特性：ICP传感器使用手册给出的下限截止频率为-10%频响。基座应变、内置IC放大电路芯片的下限截止频率和热释电效应等环境特性决定ICP传感器的低频响应特性。应变片式ICP传感器能够响应静态信号。
2.3 ICP传感器输出信号的分析
ICP传感器是由恒流源芯片供电，LM334芯片我们选中12V直流电对其供电，如图2.4所示：
图2.4 传感器接线
图2.4中，JP1和JP2处就可以接传感器和引出传感器的信号（ICP传感器有两根引线，它们即是给传感器供电的线，同时也是传感器信号的引出线），若还没接上传感器根据前面对于恒流源电路的分析，那么在JP1和JP2处可以用电流表检测到4mA的电流，如果没有检测到，或者是不为4mA，那么这个恒流源的电路就没有搭建好。对我们搭建好的电路进行检测，电流表的示数为4mA，证明我们所搭建的电路是正确的。查阅资料得知，这个时候JP1和JP2之间的电压应该为11V~12V之间，对我们的电路测一下，为11.5V，这是一个很重要的电压，对于我们后续传感器信号的识别是非常关键的。
再接上我们的ICP传感器，将其接在JP1处，JP2作为我们信号的输出引线段，接在示波器上观察，开启我们的振动试验平台，调节我们的示波器选着交流耦合方式（也就是滤掉直流分量，只检测交流分量），观察示波器同样得到了一个正弦信号，信号的频率和我们振动实验平台的激振频率一样。说明我们所设计的恒流源能够使我们的ICP传感器正常工作。再调节示波器选择直流耦合（既测直流信号又测交流信号）观察示波器发现，和有一个直流分量存在。查阅资料上面说ICP传感器输出的信号不是基于0V的一个信号输出而是带有9V左右的直流分量的，用电压表测JP2两端的电压，测得一个9V的电压。传感器没有检测信号，只要接在了恒流源上面就会产生这样的一个信号。示波器上观察到如图2.5所示：
图2.5 ICP传感器传输信号
第四篇：双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计
双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计
2009年03月29日 15:08 不详 作者：北京交通大学 翟飞 用户评论（0）关键字：
引言
ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统，模拟输入，可测量动态加速度和静态加速度，测量范围为±（2～10）g，输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接。LPC2103为飞利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用于工业控制、医疗系统、访问控制、POS机、通信网关等领域。本文使用LPC2103实现对ADXL202加速度数据的采集与处理。1 ADXL202加速度传感器
1.1 ADXL202的引脚定义及基本特性
ADXL202为单片集成电路，集成度高、结构简单，内部包含多晶硅表面微处理传感器和信号控制电路，以实现开环加速度测量结构。与其他加速度计相比，ADXL202可在很大程度上提高工作带宽，降低噪声影响，零重力偏差和温度漂移也相对较低。图1所示为ADXL202传感器的引脚定义。
图1 引脚定义
ST： 自检，用于控制芯片自检功能。接VDD时，输出占空比为10%的波形，说明芯片正常工作。
COM： 引脚4、7。使用时需将2个COM端接在一起并接地。
T2： 经电阻RSET接地，调节输出信号周期。输出信号周期T2=RSET/（125 MΩs-1）。
VDD： 电源。工作电压范围为+3.0～+5.25 V，可经过100 Ω的去耦电阻接电源。
XFILT、YFILT： 经电容接地，用于改变带宽、滤除噪声和抑制零点漂移。
Xout、Yout: 输出。
图2为ADXL202传感器的内部结构原理图。ADXL202传感器由振荡器，X、Y方向传感器，相位检波电路以及占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2个相互正交的加速度传感器，它们同时工作，可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号，通过一个32 kΩ 的电阻来驱动占空比调制器，通过在XFILT和YFILT 引脚外接电容CX和CY来改变带宽。
图2 传感器内部结构原理图
1.2 测量数据的计算及处理
(1)信号带宽的计算通
过CX和CY来设定带宽，在XFILT和YFILT引脚接上电容，通过低通滤波器来减少噪声。3 dB带宽的公式为：f=5 μF/C(x,y)(电容最小值为1 000 pF)(2)加速度的计算
输出信号周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如图3所示。
图3 占空比信号
信号通过低通滤波器之后，占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2引脚的外接电阻可以改变T2的周期（0.5～10 ms），这很适于在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过下式得到：
a=(T1/T2-0.5)/（12.5%）
例如，当加速度为0g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）相同，输出信号的占空比为50％；当加速度为1g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）的比值为5∶3，输出信号的占空比为62.5％。1.3 ADXL202的典型应用
ADXL202传感器最重要的应用之一是倾斜度的测量。在进行倾斜度测量时，需要让传感器的敏感轴（x轴）与重力方向垂直。如果与重力方向平行，物体倾斜对于加速度数据的影响可以忽略不计。图4所示为加速度测量的原理图。
图4 加速度测量
当ADXL202与重力矢量垂直时，其输出随倾斜度的变化大约为每度17.5 mg，当两者呈45°时，输出变化值仅为每度12.2 mg，分辨率降低。表1为倾斜角度与加速度变化的关系。
表1 倾斜角度与加速度变化的关系 应用电路设计 2.1 硬件接口设计
LPC2103是一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMIS CPU，并带有8 KB片内SRAM和32 KB嵌入的高速片内Flash内存。LPC2103具有LQFP48的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2个外部中断、最多可达32个GPIO。通过可编程的片内PLL（可能的输入频率范围：10～25 MHz）可实现最高70 MHz 的CPU 时钟频率。ADXL202传感器与LPC2103的接口电路如图5所示。
图5 ADXL应用电路图
ADXL202加速度传感器的T2经125 kΩ电阻接地，可以得到信号输出的周期为1 ms。
13、14引脚接+5 V电源，XFILT和YFILT经0.1 μF电容接地，用于设置50 Hz带宽。两路输出分别与LPC2103的P0.0和P0.2引脚相接，作为数据传输线。数据传输有两种方法，分别为普通GPIO口方式和定时器捕获中断方式。
2.2 普通GPIO口方式
由于传感器输出均为DCM信号，无论采用什么方式进行数据接收，都需要定时器/计数器工作，对DCM信号进行计时处理。因此，程序首先要对定时器进行初始化。然后分别对DCM信号的高电平和低电平持续时间进行计时，得到T1、T2的值，再进行加速度计算。由于默认情况下GPIO均为普通I/O方式，所以开始不用设置PINSEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下： #define KEY 0x00000001//X轴加速度P0.0,前向加速度 T1PR=0;//预分频为0，使得T1TC即为pclk个数 while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿或低电平跳出 while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿或高电平跳出 T1TCR=0x03;//启动并复位T1TC T1TCR=0x01;while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿跳出,等下降沿来临 t1=T1TC;//取此时计数器的值 T1TC=0x00;//复位计数器
while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿跳出，等待上升沿的来临 t2=T1TC;T1TCR=0x00;//关闭定时/计数器T1 a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//计算加速度
普通GPIO口方式的程序比较简单，虽然程序的执行需要时间，但由于LPC2103的主频可以达到40 MHz，执行几条指令只需几微秒，所以产生的误差会很小。但普通GPIO方式程序执行时，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到来，大大降低了CPU的使用效率。可以使用图5所示Xout与LPC2103的接口方式。2.3 定时器捕获中断方式
如图5所示，Yout与LPC2103的P0.2引脚相接，利用P0.2的功能复用，可以实现定时器捕获中断方式接收传感器数据。主要程序段如下： #define ya 0x00000004//引脚功能初始化
PINSEL0=0x00000020;//设置引脚连接为定时器0的捕获通道0 PINSEL1=0x00000000;//向量中断设置
VICIntSelect=0x00000000;//设置所有中断为IRQ中断 VICVectCntl0=0x24;//定时器0中断为最高优先级
VICIntEnable=0x0010;//使能定时器0中断定时器0初始化 T0PR=0;//预分频为0，使T0TC即为pclk的个数
T0CCR=0x07;//置TIMER0的CAP0为上升、下降沿捕获，触发中断 T0MR0=0xFFFFFFFF;//设置匹配值 T0TCR=0x03;//启动并复位T0TC T0TCR=0x01;//中断服务程序 void __irq time0(void){ T0IR = 0x10;//复位定时器中断标志 if((IOPIN&ya)==0){ t1=T0CR0;//读取T0TC T0TC=0x00;//复位T0TC } else if((IOPIN&ya)!=0){ t2=TOCR0;//读取TOTC T0TC=0x00;//复位T0TC } VICVectAddr =0x00;//中断处理结束 }
中断处理程序运行之后，得到的信号周期应为T2=t1+t2。故加速度为(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8。使用中断服务程序大大提高了CPU的使用效率，但程序较为复杂，并且占用了一个中断向量通道。结语
ADXL202传感器的应用方法经过验证完全可行，并且能够达到较高的测量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器组成的系统完全可以用于汽车、火车等交通工具的安全控制系统。ADXL202在惯性导航、倾斜感应、地震监控及汽车保险等领域都有着广泛的应用，精度高、集成度高、功耗低等特点使之完全可以取代传统的加速度传感器。
参考文献
[1] 周立功.ARM微控制器基础与实战 [M].北京:北京航空航天大学出版社 ,2003.[2] ADI.Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note,1999.
第五篇：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)。.峰值检测：步伐计数器根据x、y、z三轴中加速度变化最大的一个轴计算步数。如果加速度变化太小，步伐计数器将忽略。
步伐计数器利用此算法可以很好地工作，但有时显得太敏感。当计步器因为步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常缓慢地振动时，步伐计数器也会认为它是步伐。为了找到真正的有节奏的步伐，必须排除这种无效振动。利用“时间窗口”和“计数规则”可以解决这个问题。
“时间窗口”用于排除无效振动。假设人们最快的跑步速度为每秒5步，最慢的步行速度为每2秒1步。这样，两个有效步伐的时间间隔在时间窗口[0.2 s峰值加速度差较大，各种弹簧点看起来不同。因此，代表弹簧的量的数据，而不是代表真实数据的数据量是不同的，与图10相比。该算法只看到加速度测量值的一组，不会注意这些测量值的上下文中的问题，因此，无需拆卸有用的数据。
图10
图11
这两个图之间也有一些重要的区别。底部的一部分，每一个步骤的曲线在图11中略窄的曲线的顶部是更一致（更少的鲜明的峰）。这些差异导致更高的平均样本值和最小和最大的采样值。为了便于比较，检查数据图，在图12中不同的个体的步幅非常相似，在图10中的主体1。然而，数据本身看起来很大的不同。
图12 主题2比主题1在步幅有很大的变化（如图10所示）。然而，这两组数据代表大致相同的行走距离。仅仅计算距离的峰值提供了广泛的不同的结果。使用一个简单的双积分有同样的问题。
所有努力拿出一个全面的方法解决这个问题，使用简单的计算存在同样的问题。这导致了一系列的正常化中的数据方式，消除了弹簧的尝试，但这些尝试证明未成功。主要的原因似乎是它们要求的数据的上下文中的一些出入。然而，该解决方案需要能够上下文中的数据，而无需操作。一种可能的解决这个问题的方法开始浮出水面。前面提到过的数据如何去改变时，从慢到快的步伐，有不太明显的变化，由于弹性用更长的时间，更快的步幅。得到的结果是更高的采样点的平均值，相对于数据的最小值和最大值。视觉上，它有点难以保证，在图12中所示的步骤中给定量的反弹。但是，计算表明，平均与峰值在图10中是非常相似。因此，一个简单的算法是来确定行走距离。这个算法便是：
d是所计算的距离。k是一个常数。max在这个步骤测量中的最大的加速度值，min是最小加速度值。avg为平均加速度值。
这个简单的解决方案，保持良好的各种步幅长度。但有些科目变化多达10％的距离，从测得的平均距离为组。这是不是在±7.5％的误差范围是针对未校准的测量。另一种解决方案是需要的。
在最后的测试中使用的比例似乎反映了不同科目的步骤在弹性中差异。两种方法相结合是有意义的尝试。让我们再回到原来的想法，使用双积分，这个比例被用作一个修正系数，从计算特征运算下弹簧数据。因此，得出的公式是：
该算法保持了良好误差消除性，所有的变化在约6％之内。该算法本身容易校准与调整的乘数k的步伐。结果指出，这里没有包括这个平均值使用。在这个实验中，只有X-和Y-轴被使用。灵活选择的3轴加速度传感器，两个轴被认为是足够完成任务。ADXL323可用于代替ADXL330。因为引脚配置为Z轴的输出是相同的，而且可以同时用于相同的布局。这些实验在计步器的距离测量上取得好成绩。步计数算法确保它运作良好，一边走一边运行，然而，它可能是一个简单的算法可以被愚弄为nonwalking运动。预计在AN-602中描述的时间窗函数能够得到改善。
5、总结
ADXL345是一款出色的加速度计，非常适合计步器应用。它具有小巧纤薄的特点，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封装，利用它开发的计步器已经出现在医疗仪器和高档消费电子设备中。它在测量模式下的功耗仅40 µA，待机模式下为0.1 µA，堪称电池供电产品的理想之选。嵌入式FIFO极大地减轻了主处理器的负荷，使功耗显著降低。此外，可以利用可选的输出数据速率进行定时，从而取代处理器中的定时器。13位分辨率可以检测非常小的峰峰值变化，为开发高精度计步器创造了条件。最后，它具有三轴输出功能，结合上述算法，用户可以将计步器戴在身上几乎任何部位。
几点建议：如果应用对成本极其敏感，或者模拟输出加速度计更适合，建议使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出。如果PCB尺寸至关重要，建议使用ADXL346，这款低功耗器件的内置功能甚至比ADXL345还多，采用小巧纤薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封装，电源电压范围为1.7 V至2.75 V。
参考文献
[1]Choi Kwonhue．Cheun Kyungwhoon，JunE Taejin．
Adaptive PN code acquisition using instantaneous power— scaled detection threshold under rayleigh fading and pulsed gaussian noise jamming[J]．2005.[2]CAI B G．Position estimation via fusion and integration of GPS andinertial 8ensol{[R]．[8．I]：Report of CITR． the Ohio State University，2008.[3] Toward free-living walking speed estimation using Gaussian Process-based Regression with on-body accelerometers and gyroscopes2008 [5] Randomised controlled trial of a complex intervention by primary care nurses to increase walking in patients aged 60–74 years: protocol of the PACE-Lift(Pedometer Accelerometer Consultation Evaluation2013 [6] Development and Testing of a Device for Human Kinematics Measurement2006
[8] Translating accelerometer counts into energy expenditure: advancing the quest2006 [10] Space and habitat use of the African elephant in the Tarangire-Manyara ecosystem, Tanzania: Implications for conservation2005 [12] Convert your smartphone into a pedometer and tracking device2010 [14] Dead-Reckoning Method Using the Spring Model2011
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