一種新型腰帶計步器的設計研究

（合肥工業大學機械與汽車工程學院,230000）

一種新型腰帶計步器的設計研究

邵宇吉,吳其林,朱治鵬,李達歐,劉 歡,張 正

（合肥工業大學機械與汽車工程學院,230000）

隨著互聯網時代的到來，越來越多的智能化設備幫助人們生活質量，計步器作為一款可穿戴跟蹤設備，可以記錄行走步，提高運動樂趣。有別于傳統的計步器，腰帶型計步器嵌入腰帶內部，能夠縮小穿戴設備的體積和免去可穿戴設備的“二次穿戴”問題，并且依靠精度高、功耗低的ADLX345傳感器實現準確計步，實驗表明：腰帶型計步器具有體積小，結構簡單，穩定性高，能夠滿足計步要求。

計步器；ADXL345傳感器；STC90C51

0 引言

當今社會，隨著經濟的發展，人民的生活水平越來越高，生活節奏越來越快，伴隨而來的是人們的身體素質普遍下降，體重超標、亞健康等問題普遍存在。人們也越來越關注自己的身體健康問題，而鍛煉身體是使自己保持健康的最有效方法。計步器作為一款可穿戴健康跟蹤設備，可以記錄人的行走步數，反饋給用戶準確的運動數據，幫助佩戴者量化鍛煉強度、制定合理的健身方案，提醒佩戴者適當調節運動量，激勵佩戴者堅持鍛煉身體。

目前計步器有機械式和電子式兩種。機械式計步器依靠內部簧片的振動產生電子脈沖,進而達到計步的功能。其準確性和靈敏度較低。電子式的計步器通過測量人體行走時加速度的變化，來達到計步的功能。電子式計步器有較好的準確性和靈敏度。電子計步器有的要求確定的佩戴部位，比如腰部、手腕等；有的對佩戴部位沒有要求，只要放在身邊的口袋里、手提包中就可以計步。總的來說，佩戴手腕的計步器和對佩戴部位無要求的計步器實現精確計步的難度較大，開發成本也較高。佩戴在腰部的計步器更加容易實現精確計步功能，其成本也較低。它們都需要進行“二次穿戴”。

1 硬件設計

1.1 ADXL345傳感器

計步器由ADXL345加速度傳感器、STC90C51單片機、LCD1602顯示器，歸零按鍵、等幾個部分組成。由電池進行供電。

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計，測量范圍達± 16g。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到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個方向加速度，然后通過電子感應器件將感應到物理量模擬化，再通過 A/D 采樣轉換成數字信號，經過數字濾波后送往控制與中斷邏輯，在命令字的控制下通過串行 I/O 口與主設備交互。

1.2 IIC 總線通信

ADXL345有兩種與微處理器（單片機）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總線由數據線SDA和是鐘線SCL構成，可發送和接受數據。在CPU與被控IC之間、IC和IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100Kbps。IIC總線的主要優點有：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量，降低了互聯成本。2、支持多主控，其中任何能夠進行發送和接受的設備都可以成為主設備。如果 CS 片選引腳接 VDD I/O 高電平的話，IIC 接口模式啟用。IIC 一個可變地址 0x53，可能會被引腳SDO 選中，此時寫操作為 0xA6，讀操作為 0xA7。其工作工程為：首先啟動IIC總線，為數據傳輸做好準備，然后向從設備（ADXL345）發送存儲單元地址，再連續讀取6個地址數據存入接受數據緩存區，接收完以后從設備（ADXL345）向主設備（微處理器）發送應答信號，最后在發送停止信號，標志一次數據的傳輸終止，IIC總線處于空閑狀態。

1.3 STC90C51單片機

STC90C51單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的增強型8051單片機，其在一塊硅片上集成了中央處理器（CPU），程序存儲器（Flash）和數據儲存器（SRAM）、定時器/計數器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看門狗等模塊。具有一臺計算機屬性。STC90C51工作電壓為3.3V—5.5V，共有40個管腳，通用I/O口為35個。

STC90C51一端連接著 ADXL345，對ADXL345傳輸來的數據進行處理和判斷，另一端連接中LCD1602顯示器，將顯示命令和顯示的數據傳輸給LCD1602。同時，還有歸零按鍵、斷電按鈕等。

1.4 LCD1602顯示器

本次設計采用的LCD1602字符型液晶顯示屏作為系統的顯示界面。LCD1602顯示器是一種專門用來顯示字母、數字、符號的點陣型液晶模塊。它是由若干個5 ╳ 7或者5 ╳ 11的點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。其中，引腳編號1、2為電源端；引腳編號3為液晶顯示偏壓信號，用于調節顯示對比度；編號4為數據/命令選擇端，與單片機P1.0口相連；編號5為讀/寫選擇端，與單片機P1.1口相連；編號6為使能端，與單片機P2.5口相連；編號7到編號14為8個數據I/O口；引腳編號15、16為背光源電源端。首先，對LCD1602進行初始化，設置光標、指針等數據，然后寫入命令，設置符號的顯示位置，最后，連續將字符寫入顯示器，LCD1602顯示器會把字符顯示出來。

2 人體行走模型

人在行走過程中有很多參數發生變化，比如：距離、能量、加速度等。而通過加速度變化來描述人行走特征是一種簡便、可行的方法。從腳的加速度來檢測步數是最準確的,但是考慮到攜帶的方便,我們選擇利用腰部的運動來檢測步數。腰部的運動加速度可以分解成垂直軸，前進軸已經側向軸三個方向。如圖1所示。

圖1 人體行走模型

表1 實驗結果

ADXL345是一個三軸(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、側向和前進三個方向的傳感器。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應的是腳離開地面(一步的開始或結束) ， 最大值對應腳抬到最高點。前進軸加速度最小處對應的是腳離開地面(一步的開始或結束)， 最大值對應腳抬到最高點。

圖2 垂直軸、側向軸、前進軸加速度變化（放大1000倍）

3 軟件實現

通常情況下，人的最大步頻不超過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，我們通過低通濾波器過濾掉5hz以上的噪音頻率，通過在程序里面設定時間間隔，將0.5hz以下的頻率過濾掉，最終得到0.5—5hz的有效頻率。

此外，由于不同人行走時的加速度輸出是不同的，所以作者設計了一種動態濾波程序，程序持續更新記錄下X軸輸出數據的最大值（max）和最小值（min），當記錄下100組數據時，求其一次平均值（average），即將所有的max和min求和除以100。為了排除系統誤差，當max超過程序本身設定的一個上限值或者min小于程序本身設定的一個下限值，自動將本次max取為上限值或者將本次min取為下限值。接下來記錄的100次max和min數據過程中，利用average數值來判斷人行走的步數。

程序不斷地更新最大值和最小值。每當程序記錄下來一個min時，開始記錄采樣點數，在一定的采樣點數內能夠采集到最大值（max），并且max和min都超過了由average所確定的一定區間時，可以判斷為一步有效步成立。同時，Z軸的加速度變化滿足程序所設定的要求時，計步程序加1。另外，為了驗證腰帶型計步器的計步準確性，將ADXL345傳感器安裝在實驗者的腰部進行了5次步頻不同的測試，每次測試行走100步。實驗結果如表1所示。

4 結論

ADXL345是ADI公司開發的一款功耗低、封裝小、高精度的三軸加速度傳感器。基于ADXL345的腰帶型計步器可以達到現在市場上普通計步器的計步精度，與人們普遍使用的腰帶相結合，大大減輕了計步器需要二次穿戴的繁瑣問題。另外，計步器嵌于腰帶頭內可有效縮小空間和保證穩定性。腰帶型計步器能夠較好地適應不同步頻情況，保證計步準確性。

[1] 宋浩然，廖文帥，趙一鳴．基于加速度傳感器 ADXL330的高精度計步器[J]．傳感技術學報，2006（4）：26—29．

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

[3] 黃建銘，葉修恒，蘇志信，吳定錕．計步器的設計與應用[D]．臺中市：逢甲大學，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