張 婷

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

基于單片機(jī)的三軸加速度計步器設(shè)計

張 婷

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

介紹了基于單片機(jī)設(shè)計的計步器。利用人在行走時產(chǎn)生的三向加速度作為計步器觸發(fā)點(diǎn)，采用ADXL345三軸加速度傳感器實(shí)現(xiàn)從感應(yīng)人運(yùn)動時的加速度到計算出人行走的步數(shù)的轉(zhuǎn)變。在傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將采集來的加速度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息并輸送到STC89C52單片機(jī)上進(jìn)行處理。單片機(jī)再通過運(yùn)用合理的算法從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計算出人行走的步數(shù)，再通過算法得到里程、卡路里。

ADXL345；三軸加速度傳感器；計步器；STC89C52

現(xiàn)在社會，人們所追求的生活水平日漸提高，我們越來越關(guān)心我們的身體健康狀態(tài)。計步器作為一種檢測步伐的電子產(chǎn)品，能夠算出運(yùn)動消耗的能量，然后人們就可針對個人的實(shí)際情況訂制屬于自己的運(yùn)動方案來適當(dāng)鍛煉，并根據(jù)運(yùn)動信息來分析出人體的身體狀態(tài)。針對目前市面上用戶需求，計步器不僅可以檢測人行走的步數(shù)和路程還可以計算出你運(yùn)動所消耗的能量，便攜式計步器就自然而然地誕生了。

通過研究人行走的形態(tài)發(fā)現(xiàn)人在行走時會產(chǎn)生三個方向的加速度。利用加速度傳感器捕捉人行走三個方向的加速度，正好可以模擬人跑步時候形成的垂直、前，側(cè)向的加速度。正是由于三個方向的加速度測量，所以做出來的計步器適合佩戴在人體任何部位。

1 計步器總體模塊分析

計步器的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該計步器由STC89C52芯片、液晶顯示模塊LCD1602和加速度傳感器ADXL345構(gòu)成。工作過程如下：傳感器檢測到外界物理運(yùn)動的三個方向的加速度，通過芯片內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識別的數(shù)字信號，單片機(jī)獲得數(shù)據(jù)信息再通過分析計算，把最終信息輸送給顯示器。從液晶顯示器上可以讀出步數(shù)、總步數(shù)、路程以及運(yùn)動消耗的卡路里。

圖1 計步器結(jié)構(gòu)框圖

2 計步器硬件設(shè)計

2.1 ADXL345功能分析

ADXL345是美國DI公司推出的一款低成本三軸加速度傳感器。體積小利于制作成為便攜計步器。該微型電容式加速度傳感器融合了信號調(diào)理、低通濾波器，并提供了加速度范圍。

模塊主要用于采集數(shù)據(jù)并且進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換然后將加速度的變化值送到單片機(jī)，然后單片機(jī)進(jìn)行處理，相當(dāng)于整個系統(tǒng)的信號產(chǎn)生模塊。ADXL345通過IIC的方式與單片機(jī)進(jìn)行通信。其連接方式如圖2所示。

圖2 ADXL345連接電路圖

2.2 單片機(jī)模塊

本文采用單片機(jī)STC89C52，內(nèi)置EEPROM與MAX810容量為4 KB復(fù)位電路，512字節(jié)RAM、32位I/O口線以及看門狗定時器、8 k字節(jié)的Flash，此外3個16位定時器/計數(shù)器。

由STC89C52芯片、11.059 2 MHz晶振電路、復(fù)位電路三要素構(gòu)成了最小系統(tǒng)。STC89C52芯片為單片機(jī)主控芯片，復(fù)位電路和晶振電路都屬于外部接入，其接法簡單。單片機(jī)連接電路如圖3所示。

單片機(jī)的P0口接LED顯示電路。P1.4，P1.5接ADXL345電路。P1.6，P1.7所接按鈕為步數(shù)、里程、卡路里清零按鈕。

圖3 單片機(jī)控制電路

2.3 顯示模塊

LCD也是一種低功耗產(chǎn)品，如果設(shè)施考慮到功耗問題，那么液晶顯示器就是不錯的節(jié)能選擇。 LCD的工作原理其實(shí)很簡單就是通過電流誘發(fā)內(nèi)部液晶分子由點(diǎn)連成線，由線合成面，三者相互配合點(diǎn)亮背部的小燈管，這樣就成了我們看見的LCD顯示屏。

本文采用比較常用的1602作為顯示模塊。用于顯示步數(shù)，里程，卡路里信息。其電路連接如圖4所示。如果要封裝起來用于實(shí)際開發(fā)可以選擇型號更加小巧的顯示器。

圖4 LCD1602顯示模塊電路圖

3 計步器軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件流程

跑步者豎向、前向和側(cè)向的加速度通過數(shù)字濾波器變得平滑。由于不一樣的人行走時會有不同加速度的輸出范圍，所以算法中用動態(tài)參數(shù)的方式提供了一種自我調(diào)整的方法，用來滿足不同行人的檢測的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值(Max+Min)/2為動態(tài)閾值。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁步。由于閾值每50次采樣更新一次，這種選擇具有自適應(yīng)性也足夠快。

步伐計數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸加速度變化最大的一個軸計算步數(shù)。如果加速度變化太小，計數(shù)將忽略。系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示。

為了避免計數(shù)器過于敏感，也就是當(dāng)計步器因?yàn)椴叫谢蛘吲懿街獾脑蚨浅Ｑ杆倩蛘呔徛恼駝訒r，步伐計數(shù)器也會認(rèn)為步伐，利用“時間窗口”排除無效振動。假設(shè)人最快的跑步速度為每秒5步，最慢為每2 s一步，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口[0.2 s～2.0 s]內(nèi)，時間間隔超過此窗口則被排除。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述算法計算出步數(shù)之后，我們可以根據(jù)設(shè)定的步長得到里程數(shù)。距離=步長*步數(shù)。

由一般測量卡路里參數(shù)與跑步速度之間的關(guān)系可得到卡路里公式?？防?C/kg)=1.25*跑步速度。所以我們可以得到卡路里(C/kg)=1.25*距離/跑步時間。最終可通過輸入體重得到個體步行或者跑步一段時間后的卡路里。

4 結(jié)論

基于單片機(jī)的計步器，實(shí)際測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)表

因此計步器為實(shí)驗(yàn)電路焊接在萬能板上，不能將傳感器固定在腰上或者手腕上，也是造成誤差的重要因素?？紤]到實(shí)際使用情況，由測試數(shù)據(jù)表看出，計步器總體功能在我們誤差接受范圍內(nèi)。計步器能準(zhǔn)確感應(yīng)出人行走的步數(shù)并可通過顯示屏顯示步數(shù)、里程、卡路里，實(shí)現(xiàn)同步、高效、準(zhǔn)確的性能。

[1] 曹赟，周宇，徐寅林.加速度傳感器在步態(tài)信號采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].信息化研究,2009，35(9):51-53.

[2] 劉宗林，李圣怡，吳學(xué)忠.新型三軸加速度計[J].傳感器技術(shù)學(xué)報，2004，17(3)：488-492.

[3] 孟維國.三軸加速度計ADXL345的特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2007(2)：47-50.

[4] 錢朋安，葛運(yùn)建，唐毅，等.加速度計在人體運(yùn)動檢測中的應(yīng)用[G].全國第16屆計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集，2004:41-45.

The Design of Three Axis Acceleration Pedometer Based on Singlechip

Zhang Ting

(BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

This paper introduces a pedometer based on singlechip. The three direction acceleration generated by people walk is taken as a pedometer trigger point, and the Adxl345 three axis acceleration sensor is used to realize the transformation from the acceleration of human motion to the calculation of the number of people walking. The A/D converter inside sensor transforms the acceleration signal collected from analog digital conversion and transfers to the STC89C52 single-chip computer for processing. The single-chip by using reasonable algorithm realizes the calculation of accurate steps of the people walking, and then the mileage, calories is obtained by algorithm.

ADXL345; triaxial acceleration sensor; pedometer; STC89C52

2016-11-17

張 婷(1987- )，女，山西呂梁人，碩士，研究方向：信號處理及自動控制。

1674- 4578(2016)06- 0032- 02

TP393

A