李雪梅 車愛靜 高煥明

摘 要：近年來，人們越來越重視養(yǎng)生與身體鍛煉，而計步器可以作為檢測運(yùn)動量的重要工具。提出了一款基于加速度傳感器的計步器設(shè)計方案，硬件部分用加速度傳感器采集加速度信號，然后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行步數(shù)統(tǒng)計，最后由LCD顯示器直接顯示出步數(shù)信息。軟件部分采用峰值檢測和時間閾值共同實現(xiàn)計步。實驗證明計步器的精確度高、功耗小，魯棒性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：加速度傳感器；計步器；單片機(jī)；計步算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.119

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們越來越關(guān)注身體健康，人們可以根據(jù)個人的健康情況來訂制適合自己的運(yùn)動量，計步器成為檢測運(yùn)動量的重要工具。早期的計步器是機(jī)械式的，精確度低，逐漸被便攜式的電子計步器取代。

通過研究發(fā)現(xiàn)，人體在行走的過程中會產(chǎn)生前向、側(cè)向和垂直三個方向的加速度，而三軸加速度傳感器恰好可以采集三個方向的信號數(shù)據(jù)，因此用ADXL345加速度傳感器來采集人體運(yùn)動時的加速度信息。

1 設(shè)計方案

基于加速度傳感器的計步器硬件電路[1]設(shè)計由以下幾部分組成：單片機(jī)STC89C52與晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)，三軸加速度傳感器ADXL345，LCD1602顯示模塊，電源電路。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

單片機(jī)STC89C52作為計步器的控制系統(tǒng)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算。三軸加速度傳感器ADXL345是一款體積小低成本的傳感器，自身集成了信號調(diào)理、濾波的功能。LCD1602作為人機(jī)交互界面，功耗低，體積小，用于顯示當(dāng)前的步數(shù)、里程等信息。在人體運(yùn)動過程中，三軸加速度傳感器ADXL345采集人體的加速度信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳輸給單片機(jī)STC89C52，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計算，然后傳輸給LCD1602，則運(yùn)動的步數(shù)，里程等信息直觀顯示出來，整個系統(tǒng)由電源電路供電。

2 工作流程設(shè)計

由于人體運(yùn)動時產(chǎn)生3個方向的加速度，每個邁步周期中三個方向的加速度變化特點(diǎn)不同，在完整的一步中，其變化趨勢[2]如表1所示：

統(tǒng)計步數(shù)時需要將采集到的三個數(shù)據(jù)合成一個總的加速度。一般合成加速度的方法是對3個方向的加速度進(jìn)行平方求和再開方[3]，即：

（1）

其中，，和分別為前向、側(cè)向和垂直方向的加速度信號，為合加速度。研究發(fā)現(xiàn)，合加速度值呈周期性變化，近似于正弦波形，因此統(tǒng)計步數(shù)即為求解合加速度信號中有多少個正弦波的問題。

文獻(xiàn)[4][5]采用峰值檢測法來計步，即首先將加速度傳感器ADXL345采集到的信號進(jìn)行去噪、平滑濾波等預(yù)處理，然后檢測正弦波是否達(dá)到波峰，如果達(dá)到波峰則說明完成一個邁步周期，則步數(shù)加1，如果波形沒達(dá)到波峰，則繼續(xù)檢測。但是這種單純靠峰值來檢測的方法容易造成誤判，當(dāng)運(yùn)動過程中產(chǎn)生一些不是步伐的振動時，波形也會出現(xiàn)一些小的波峰，這時如果因為檢測到波峰就將步數(shù)加1，則會造成誤判，使得計步器準(zhǔn)確率不高。為了克服這個缺點(diǎn)，可以用時間閾值進(jìn)一步檢測來提高準(zhǔn)確率。

研究表明，一般正常走路時，每秒鐘最快不超過5步，最慢不超過半步，即采集到的信號中頻率為0.5～5Hz的信號為有用信號[6]，其他頻率的信號可視為無效信號，應(yīng)該剔除。因此利用峰值檢測法如果檢測到正弦波達(dá)到了峰值，然后再檢測上一峰值與此峰值的時間間隔，如果時間間隔在0.2s～2s之間則可將當(dāng)前峰值視為有效信號，當(dāng)前步數(shù)加1，反之，當(dāng)前峰值則為無效信號，作為噪聲剔除掉。計步檢測過程的流程圖如圖2所示：

3 實驗

由不同的人群對計步器進(jìn)行多次實驗，每次實際步行100步，實驗結(jié)果如表2所示。通過對結(jié)果分析可以看出，本文所提出的基于加速度傳感器的計步器精確度較高，準(zhǔn)確率可達(dá)到97%以上，能實現(xiàn)較精確的計步。

4 結(jié)語

本文提出的基于加速度傳感器的計步器硬件電路設(shè)計較簡單。軟件部分針對峰值檢測法的缺點(diǎn)，利用時間閾值進(jìn)一步判斷峰值的有效性，剔除了無效信號，大大提高了計步的準(zhǔn)確率，實現(xiàn)了較精確的步數(shù)統(tǒng)計，實驗表明，該計步器的計步準(zhǔn)確率達(dá)到了97%以上。該計步器體積小，功耗小，成本低，計步效果良好，具有比較廣闊的工程應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：李雪梅（1983-），女，河北景縣人，碩士研究生，講師，研究方向：信號與信息處理。