智能計步器解決方案

　　伴隨著(zhù)人們生活質(zhì)量和科技水平的提高，輔助鍛煉設備不斷出現，智能計步器就是一種日常鍛煉監測器，通過(guò)記錄人們行走的步數，監測自己的健身強度，方便實(shí)用。加速度傳感器可用于間接步數檢測。由于近年來(lái)MEMS加速度傳感器發(fā)展很快，并具有價(jià)格低、體積小、功耗低、精度高的特點(diǎn)，利用其來(lái)設計電子計步器，已經(jīng)多有報道，市場(chǎng)上也有產(chǎn)品出售。目前存在的主要問(wèn)題是計步精度，盡管在加速度的檢測上傳感器的精度高，但是計步卻受到諸多干擾影響，精度難以保證。
 

 

　　智能計步器解決方案的功能

　　1、步數計算

　　計步器顧名思義，自然是計步了，衡量一個(gè)計步器的好壞也是看它的計步是否準確，但每個(gè)人的步伐大小不一樣，如果能根據使用者自身情況制定，那就是它的獨到之處了，計步器最高數字可達99999。

　　2、卡路里計算

　　計算步伐消耗的同時(shí)也計算了所燃燒的卡路里，可以自行設置體重的范圍區間，一般常見(jiàn)區間為20-160公斤，然后根據體重數換算出消耗的卡路里。，而卡路里的指數最高也顯示到9999.99卡。

　　3、時(shí)間功能

　　可以隨時(shí)了解當前的時(shí)間，便于調整自己的生活，還可以設定倒計時(shí)，設定自己運動(dòng)量以及運動(dòng)時(shí)間，合理安排自己的運動(dòng)計劃，同時(shí)也具有秒表功能，如此看，計步器像不像自己的私人運動(dòng)管家呢?

　　4、距離統計

　　也可以統計距離,但連續9步才能統計距離，一般可顯示999.99公里，一般也夠統計了，可以累計統計。一般都是與步數統計所對應，通過(guò)總距離數，除以您的步伐，您也可以算出自己平均每步所走的距離，很是實(shí)用。

　　5、心率顯示

　　高端計步器都有心率顯示，可以實(shí)時(shí)監測心率，隨時(shí)監督自己的健康狀況。而且無(wú)需胸帶，也沒(méi)有束縛，非常方便、舒適。

　　智能計步器系統方案設計

　　基于加速度信號檢測的計步器原理

　　距離、速度、加速度等都可以作為描述人體行走狀態(tài)的的參數。近年來(lái)由于MEMS加速度傳感器的快速發(fā)展和其特性，使其用于人體運動(dòng)檢測更加方便。

　　行走時(shí)，腳、腿、腰部，手臂都在運動(dòng)，它們的運動(dòng)都會(huì )產(chǎn)生相應的加速度，垂直方向的加速度信號變化最大。腳蹬地離開(kāi)地面是一步的開(kāi)始，此時(shí)由于地面的反作用力垂直加速度開(kāi)始增大，身體重心上移，當腳要達到最高位置時(shí)，垂直加速度達到最大，然后腳向下運動(dòng)，垂直加速度開(kāi)始減小，直至腳著(zhù)地，加速度減少至最小值，接著(zhù)下一次邁步發(fā)生。

　　人體腰部的垂直加速度信號所示，每邁一步對應一個(gè)峰值，顯然信號具有周期性。利用對加速度的峰值檢測可以獲得行走的步數。人行走的垂直加速度在±g之間(1g為9.8 m/s2即重力加速度)，考慮到還有重力加速度g的影響，可選擇測量范嗣在±2 g之間的加速度傳感器來(lái)實(shí)現計步器。

　　硬件系統設計

　　MEMS傳感器MMA8452Q負責檢測人體加速度信號并轉換為數字信號，通過(guò)I2C接口傳遞給控制器;經(jīng)控制器分析處理，確定為有效的計步信息后，步數加1并送給LCD顯示器;按鍵則將一些設定信息傳遞給控制器。

　　方案選擇具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機械加速度傳感器，其主要特性如下：

　　可以感受X，Y，Z 3個(gè)自由度的加速度信號，感知人體運動(dòng)信息。具有±2 g/±4g/±8 g的可選量程。傳感器的靈敏度在±2 g量程時(shí)為1 024個(gè)數字/g，靈敏度精度為±2.5個(gè)百分點(diǎn)。

　　采集的加速度數據可以通過(guò)傳感器內部的高通濾波器實(shí)時(shí)輸出，濾波器的截止頻率可以軟件設置。也可以不經(jīng)過(guò)濾波器直接數據輸出。輸出信號已被轉換為12位(或8位)數字量信號，經(jīng)I2C接口輸出，輸出數據速率在1.25 Hz到800Hz之間可調。

　　傳感器內嵌的DSP處理功能使芯片具有中斷能力，當設定的“自由下落和運動(dòng)檢測”“瞬態(tài)變化檢測”“方向檢測”“輕敲檢測”“數據準備好”“自動(dòng)休眠”等6種事件中任意一種發(fā)生時(shí)，配置的中斷引腳(INT1或INT2)就可以產(chǎn)生硬件喚醒的中斷申請信號，通知控制器處理預定的事件。這樣既減輕了控制器不斷查詢(xún)處理數據的負擔，也可以節省整體功耗，使其大部分時(shí)間處于靜止狀態(tài)保持低功耗模式，同時(shí)完成監測任務(wù)。

　　在滿(mǎn)足計步器功能的前提下，本設計選擇價(jià)格低廉的AT89S2051單片機作為控制器，主要使用其外部事件中斷、定時(shí)器中斷、并行口等硬件資源。顯示屏選擇了8位LCD顯示器，用于計步信息的實(shí)時(shí)顯示，與主機采用串行方式傳遞數據。按鍵主要用于自標定設置。

　　抗干擾設計

　　人在行走時(shí)的垂直加速度信號雖然具有一定的周期性，但由于傳感器靈敏度較高，原地晃動(dòng)等都會(huì )產(chǎn)生于擾噪聲，直接計步容易出錯。需對信號進(jìn)行處理，盡可能消除噪聲影響。通常情況下，人的步頻至快不會(huì )超過(guò)5步/秒，至慢為0.5步/秒。因此，可以認為原始信號中頻率為0.5～5 Hz的信號為有用信號，其他信號均為噪聲。

　　傳感器自帶抗干擾功能的利用

　　高通濾波器的設置

　　數字式傳感器，對檢測信號的模擬濾波在芯片內部進(jìn)行，然后轉換為數字量后輸出。對于“敲擊”“輕彈”“搖動(dòng)”“計步”等信號的檢測過(guò)程中，加速度傳感器只需要分析動(dòng)態(tài)加速度信號，即加速度的變化情況，無(wú)需考慮靜態(tài)情況，因此可以對數據做高通濾波。

　　在傳感器內部有一個(gè)內嵌的高通濾波器，可以通過(guò)軟件設定低頻截止頻率。根據選擇的數據輸出速率和數據過(guò)采樣模式，低頻截止頻率可以在0.063～16 Hz之間選擇。數據通過(guò)該濾波器輸出，從而消除信號中直流偏置及低頻信號的影響。我們設計的計步器截止頻率設置在0.5 Hz。

　　中斷閾值的使用

　　傳感器有兩個(gè)外部引腳INT1和INT2。每個(gè)引腳通過(guò)軟件設置可以和6個(gè)事件(“自由下落和運動(dòng)檢測”“瞬態(tài)變化檢測”“方向檢測” “輕敲檢測”“數據準備好”“自動(dòng)休眠”)綁定在一起。當傳感器檢測到任一事件發(fā)生時(shí)，即可發(fā)出中斷申請信號，可以避免主控制器頻繁讀取傳感器的數據，減少數據分析及處理工作。

　　自標定方法

　　計步器配置了兩個(gè)按鍵：“直接計步按鍵”、“自標定按鍵”。如果計步器工作后直接按下“直接計步按鍵”，計步器按1～5Hz的行走頻率設置時(shí)間窗口，并按這個(gè)參數進(jìn)行數據分析。如果計步器工作后先按下“自標定按鍵”，則進(jìn)入自標定過(guò)程。連續行走10步，每走1步要同時(shí)按下“自標定按鍵”一次。計步器會(huì )記錄10次的時(shí)間間隔ti(i=0～9)，求出平均值Tp，及偏差vi=|ti-Tp|(i=0～9).南此確定個(gè)人的行走頻率范圍，并利用時(shí)間窗口的限制進(jìn)行數據分析，可以獲取較高的準確度。