一種新型腰帶計(jì)步器的設(shè)計(jì)研究

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,230000）

一種新型腰帶計(jì)步器的設(shè)計(jì)研究

邵宇吉,吳其林,朱治鵬,李達(dá)歐,劉 歡,張 正

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,230000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的智能化設(shè)備幫助人們生活質(zhì)量，計(jì)步器作為一款可穿戴跟蹤設(shè)備，可以記錄行走步，提高運(yùn)動(dòng)樂(lè)趣。有別于傳統(tǒng)的計(jì)步器，腰帶型計(jì)步器嵌入腰帶內(nèi)部，能夠縮小穿戴設(shè)備的體積和免去可穿戴設(shè)備的“二次穿戴”問(wèn)題，并且依靠精度高、功耗低的ADLX345傳感器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)步，實(shí)驗(yàn)表明：腰帶型計(jì)步器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，能夠滿足計(jì)步要求。

計(jì)步器；ADXL345傳感器；STC90C51

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平越來(lái)越高，生活節(jié)奏越來(lái)越快，伴隨而來(lái)的是人們的身體素質(zhì)普遍下降，體重超標(biāo)、亞健康等問(wèn)題普遍存在。人們也越來(lái)越關(guān)注自己的身體健康問(wèn)題，而鍛煉身體是使自己保持健康的最有效方法。計(jì)步器作為一款可穿戴健康跟蹤設(shè)備，可以記錄人的行走步數(shù)，反饋給用戶準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，幫助佩戴者量化鍛煉強(qiáng)度、制定合理的健身方案，提醒佩戴者適當(dāng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)量，激勵(lì)佩戴者堅(jiān)持鍛煉身體。

目前計(jì)步器有機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式計(jì)步器依靠?jī)?nèi)部簧片的振動(dòng)產(chǎn)生電子脈沖,進(jìn)而達(dá)到計(jì)步的功能。其準(zhǔn)確性和靈敏度較低。電子式的計(jì)步器通過(guò)測(cè)量人體行走時(shí)加速度的變化，來(lái)達(dá)到計(jì)步的功能。電子式計(jì)步器有較好的準(zhǔn)確性和靈敏度。電子計(jì)步器有的要求確定的佩戴部位，比如腰部、手腕等；有的對(duì)佩戴部位沒(méi)有要求，只要放在身邊的口袋里、手提包中就可以計(jì)步。總的來(lái)說(shuō)，佩戴手腕的計(jì)步器和對(duì)佩戴部位無(wú)要求的計(jì)步器實(shí)現(xiàn)精確計(jì)步的難度較大，開(kāi)發(fā)成本也較高。佩戴在腰部的計(jì)步器更加容易實(shí)現(xiàn)精確計(jì)步功能，其成本也較低。它們都需要進(jìn)行“二次穿戴”。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 ADXL345傳感器

計(jì)步器由ADXL345加速度傳感器、STC90C51單片機(jī)、LCD1602顯示器，歸零按鍵、等幾個(gè)部分組成。由電池進(jìn)行供電。

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，測(cè)量范圍達(dá)± 16g。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。其基本工作流程為：首先由三軸敏感單元敏感3個(gè)方向加速度，然后通過(guò)電子感應(yīng)器件將感應(yīng)到物理量模擬化，再通過(guò) A/D 采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后送往控制與中斷邏輯，在命令字的控制下通過(guò)串行 I/O 口與主設(shè)備交互。

1.2 IIC 總線通信

ADXL345有兩種與微處理器（單片機(jī)）通信的方式：SPI和IIC。我們采用的通信方式是IIC總線通訊方式。IIC總線由數(shù)據(jù)線SDA和是鐘線SCL構(gòu)成，可發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC和IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100Kbps。IIC總線的主要優(yōu)點(diǎn)有：1、占用的空間非常小，減小了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。2、支持多主控，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接受的設(shè)備都可以成為主設(shè)備。如果 CS 片選引腳接 VDD I/O 高電平的話，IIC 接口模式啟用。IIC 一個(gè)可變地址 0x53，可能會(huì)被引腳SDO 選中，此時(shí)寫操作為 0xA6，讀操作為 0xA7。其工作工程為：首先啟動(dòng)IIC總線，為數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備，然后向從設(shè)備（ADXL345）發(fā)送存儲(chǔ)單元地址，再連續(xù)讀取6個(gè)地址數(shù)據(jù)存入接受數(shù)據(jù)緩存區(qū)，接收完以后從設(shè)備（ADXL345）向主設(shè)備（微處理器）發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，最后在發(fā)送停止信號(hào)，標(biāo)志一次數(shù)據(jù)的傳輸終止，IIC總線處于空閑狀態(tài)。

1.3 STC90C51單片機(jī)

STC90C51單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，其在一塊硅片上集成了中央處理器（CPU），程序存儲(chǔ)器（Flash）和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器（SRAM）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看門狗等模塊。具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)屬性。STC90C51工作電壓為3.3V—5.5V，共有40個(gè)管腳，通用I/O口為35個(gè)。

STC90C51一端連接著 ADXL345，對(duì)ADXL345傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，另一端連接中LCD1602顯示器，將顯示命令和顯示的數(shù)據(jù)傳輸給LCD1602。同時(shí)，還有歸零按鍵、斷電按鈕等。

1.4 LCD1602顯示器

本次設(shè)計(jì)采用的LCD1602字符型液晶顯示屏作為系統(tǒng)的顯示界面。LCD1602顯示器是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶模塊。它是由若干個(gè)5 ╳ 7或者5 ╳ 11的點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。其中，引腳編號(hào)1、2為電源端；引腳編號(hào)3為液晶顯示偏壓信號(hào)，用于調(diào)節(jié)顯示對(duì)比度；編號(hào)4為數(shù)據(jù)/命令選擇端，與單片機(jī)P1.0口相連；編號(hào)5為讀/寫選擇端，與單片機(jī)P1.1口相連；編號(hào)6為使能端，與單片機(jī)P2.5口相連；編號(hào)7到編號(hào)14為8個(gè)數(shù)據(jù)I/O口；引腳編號(hào)15、16為背光源電源端。首先，對(duì)LCD1602進(jìn)行初始化，設(shè)置光標(biāo)、指針等數(shù)據(jù)，然后寫入命令，設(shè)置符號(hào)的顯示位置，最后，連續(xù)將字符寫入顯示器，LCD1602顯示器會(huì)把字符顯示出來(lái)。

2 人體行走模型

人在行走過(guò)程中有很多參數(shù)發(fā)生變化，比如：距離、能量、加速度等。而通過(guò)加速度變化來(lái)描述人行走特征是一種簡(jiǎn)便、可行的方法。從腳的加速度來(lái)檢測(cè)步數(shù)是最準(zhǔn)確的,但是考慮到攜帶的方便,我們選擇利用腰部的運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)步數(shù)。腰部的運(yùn)動(dòng)加速度可以分解成垂直軸，前進(jìn)軸已經(jīng)側(cè)向軸三個(gè)方向。如圖1所示。

圖1 人體行走模型

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

ADXL345是一個(gè)三軸(X 軸、Y 軸和 Z 軸)模擬輸出的加速度傳感器,正好可以作為垂直、側(cè)向和前進(jìn)三個(gè)方向的傳感器。如圖2所示。從圖中可以看到垂直軸（X軸）和前進(jìn)軸（Z軸）方向上有著較為明顯的周期特性。垂直軸加速度值最小處對(duì)應(yīng)的是腳離開(kāi)地面(一步的開(kāi)始或結(jié)束) ， 最大值對(duì)應(yīng)腳抬到最高點(diǎn)。前進(jìn)軸加速度最小處對(duì)應(yīng)的是腳離開(kāi)地面(一步的開(kāi)始或結(jié)束)， 最大值對(duì)應(yīng)腳抬到最高點(diǎn)。

圖2 垂直軸、側(cè)向軸、前進(jìn)軸加速度變化（放大1000倍）

3 軟件實(shí)現(xiàn)

通常情況下，人的最大步頻不超過(guò)5步/s，最小步頻為0.5步/s。所以，人行走的頻率為0.5—5hz之間，因此，我們通過(guò)低通濾波器過(guò)濾掉5hz以上的噪音頻率，通過(guò)在程序里面設(shè)定時(shí)間間隔，將0.5hz以下的頻率過(guò)濾掉，最終得到0.5—5hz的有效頻率。

此外，由于不同人行走時(shí)的加速度輸出是不同的，所以作者設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)濾波程序，程序持續(xù)更新記錄下X軸輸出數(shù)據(jù)的最大值（max）和最小值（min），當(dāng)記錄下100組數(shù)據(jù)時(shí)，求其一次平均值（average），即將所有的max和min求和除以100。為了排除系統(tǒng)誤差，當(dāng)max超過(guò)程序本身設(shè)定的一個(gè)上限值或者min小于程序本身設(shè)定的一個(gè)下限值，自動(dòng)將本次max取為上限值或者將本次min取為下限值。接下來(lái)記錄的100次max和min數(shù)據(jù)過(guò)程中，利用average數(shù)值來(lái)判斷人行走的步數(shù)。

程序不斷地更新最大值和最小值。每當(dāng)程序記錄下來(lái)一個(gè)min時(shí)，開(kāi)始記錄采樣點(diǎn)數(shù)，在一定的采樣點(diǎn)數(shù)內(nèi)能夠采集到最大值（max），并且max和min都超過(guò)了由average所確定的一定區(qū)間時(shí)，可以判斷為一步有效步成立。同時(shí)，Z軸的加速度變化滿足程序所設(shè)定的要求時(shí)，計(jì)步程序加1。另外，為了驗(yàn)證腰帶型計(jì)步器的計(jì)步準(zhǔn)確性，將ADXL345傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)者的腰部進(jìn)行了5次步頻不同的測(cè)試，每次測(cè)試行走100步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

ADXL345是ADI公司開(kāi)發(fā)的一款功耗低、封裝小、高精度的三軸加速度傳感器。基于ADXL345的腰帶型計(jì)步器可以達(dá)到現(xiàn)在市場(chǎng)上普通計(jì)步器的計(jì)步精度，與人們普遍使用的腰帶相結(jié)合，大大減輕了計(jì)步器需要二次穿戴的繁瑣問(wèn)題。另外，計(jì)步器嵌于腰帶頭內(nèi)可有效縮小空間和保證穩(wěn)定性。腰帶型計(jì)步器能夠較好地適應(yīng)不同步頻情況，保證計(jì)步準(zhǔn)確性。

[1] 宋浩然，廖文帥，趙一鳴．基于加速度傳感器 ADXL330的高精度計(jì)步器[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（4）：26—29．

[2] 韓文正，馮 迪，李 鵬，馬文超．基于加速度傳感器 LIS3DH的計(jì)步器設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2012（11）：97—99．

[3] 黃建銘，葉修恒，蘇志信，吳定錕．計(jì)步器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]．臺(tái)中市：逢甲大學(xué)，2009．

Study on Design of a new type belt pedometer

Shao Yuji,Wu Qilin,Zhu Zhipeng,Li Daou,Liu Huan,Zhang Zheng
（School of mechanical and automotive engineering,HeFei University of Technology,230000）

With the advent of the Internet era,more and more intelligent devices to help people's quality of life,as a wearable tracking devices,Pedometers can record the walking step,and improve the sport enjoyment. Unlike the traditional pedometer,belt type pedometer embedded belt internal to narrow wearable device volume and avoid second worn,and rely on high precision, low power consumption ADLX345 sensor to achieve accurate step.The experimental results show that the belt type pedometer has the advantages of small volume,simple structure,high stability and it can meet step counter demand.

pedometer;ADXL345 sensor;STC90C51