基于三軸加速度傳感器的計步器的設計

陳蔚

摘要：本文介紹了利用ADXL335三軸加速度傳感器組成計步器的設計方法。講述了ADXL335三軸加速度傳感器的特點和使用方法，并從功能、硬件設計以及程序流程等方面介紹了該計步器的設計。采用這種方案的計步器具有操作方便，穩定性高，性能穩定等特點。

關鍵詞：三軸加速度傳感器；計步器；數字濾波

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0181-03

近年來隨著全民健身意識的增強，人們越來越關注身體的健康。各種強身健體方式中步行是一種科學、安全、時尚又易行的好方法。計步器是一種步行鍛煉時有效又方便的計量工具，通過統計步數、距離、速度、時間等數據，可以掌握運動量，估算行走距離，實時監控健身強度，以防運動不足或是運動過量。所以計步器已成為一種日常鍛煉中有用的便攜工具。

早期的計步器采用振動傳感器。其平衡錘在上下振動時平衡被破壞，使一個觸電出現通/斷動作，再由計數器記錄并顯示來完成計步功能，也稱機械式計步器。誤差偏大，但價錢便宜。電子式計步器采用加速度傳感器，通過檢測人體行走時步態加速度的信號，然后通過相關軟件算法計算出人體行走的步數，因而計步更精確，體積更小。本設計的方案是采用三軸加速度傳感器捕捉人體行走時三個方向的加速度，通過單片機的計算和分析，計算出人體行走的步數。

1 工作原理

人體邁步過程中，重心會隨著人體運動在一定范圍內出現規律性的變化。腳蹬地離開地面時，地面的反作用力會使垂直加速度開始增大，身體重心上移，當腳達到最高位置時，腳的垂直速度最小，但垂直加速度最大。當腳向下落時，垂直加速度開始減小，落地時加速度達到最小值。前向加速度由腳與地面的摩擦力產生，加速度最小值對應的是腳離開地面時，最大值對應腳抬最高處。可見加速度變化一個周期就是人體運動的一步。當把加速度傳感器隨身攜帶時，傳感器的輸出電壓會隨著人體的運動出現規律化的變化。單片機獲取傳感器輸出電壓的變化，可計算和顯示出人體行走的步數。

2 硬件組成

根據上述工作原理，本設計計步器硬件設計總體結構框圖如圖1所示。該計步器由PIC16F877單片機，液晶顯示模塊LCM103和三軸加速度傳感器ADXL335構成。傳感器采集數據并送單片機處理，處理后的結果送液晶顯示。

2.1 ADXL335三軸加速度傳感器

本設計采用的是ADI公司ADXL335三軸加速度傳感器。是一款小尺寸、高精度、低功耗的IC芯片三軸加速度傳感器。它的對外輸出X、Y、Z三個模擬電壓量，工作電壓1.8伏到3.6伏之間。在供電電壓為3.3伏時，傳感器靜態的三軸輸出電壓為1.5伏，靈敏度為300mV/g。在-55℃到125℃溫度范圍內，擁有±3g的測量范圍。

ADXL335采用先進的MEMS技術。在加速度的作用下，傳感器中多晶體硅結構的偏移會導致差動電容器的電容值發生變化。進而導致積分電路中輸出的模擬電壓值也發生線性變化。其內部結構圖如圖2所示，XOUT、YOUT、ZOUT輸出三個與加速度成比例的模擬電壓值。

2.2 ADXL335防噪濾波電容器的設計

根據ADXL335手冊說明，通過原理圖中的CX、CY、CZ能夠給傳感器設置一個低通濾波器。由于人行走的速度是有限的，因此在XOUT、YOUT、ZOUT各管腳接了一個0.01μF的電容，對應的帶寬為50Hz，可有效限制傳感器在測量中的噪聲干擾。為了減少電源干擾，將ADXL335電源端外接一個0.1μF去偶電容。其電路如圖3所示。

2.3 控制部分和顯示部分

本設計的控制部分由單片機完成。單片機選用PIC16F877，該機最大的特點是省電，適合設計便攜式設備；35條簡單指令集，編程簡便；集成多種外設，簡化外圍電路。PORTA口的RA0管腳連接ADXL335模塊的X_OUT腳，RA1管腳連接ADXL335模塊的Y_OUT腳，RA2管腳連接ADXL335模塊的Z_OUT腳，獲取三軸加速度數據。

本設計選用段碼式液晶顯示屏LCM103顯示測距結果。LCM103是10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊，內含兩種頻率的蜂鳴驅動電路，內置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，低功耗，顯示清晰，編程簡單，是儀器儀表通用型顯示模塊。其片選信號與PIC16F877的RB1腳相接，模塊數據/指令寫入線連RB2，數據輸入輸出線連RB3。

3 軟件設計

系統軟件主要完成計步器的數據采集，算法處理和信息輸出等功能。三軸加速度傳感器采集的豎向、前向、側向加速度的數據經過數字濾波后變得平滑。為了降低計步器的放置位置對測量結果的影響，本設計將三路濾波后的數據取模得到三軸合一的整體加速度。并且動態設定一個閥值，當采集到的整體加速度正負穿越此閥值一次便記一步。同時每采集一定數據就更新一次閥值，以實現動態檢測。通常人體每秒行走0.5步到3步，最多不超過5步。設置合適的時間閥值可排除無效振動。數字濾波子程序如圖4所示，數據檢測流程圖如圖5所示。

4 結語

本設計是以ADXL335三軸加速度傳感器為核心，以PIC單片機為控制器的應用系統。單片機讀取三軸加速度傳感器X、Y、Z三軸輸出的模擬電壓，通過A/D轉換，再通過數據處理、算法計算等得到人體邁步數據，最后通過液晶顯示出來。采用這種方案的計步器系統具有功耗低、質量輕、成本低、抗振動能力強等特點。

參考文獻

[1]盧文，陳慈發.基于STM32和LIS3DSH的高精度計步器設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2016，（03）：70-73.

[2]張婷.基于單片機的三軸加速度計步器設計[J].山西電子技術，2016，（6）：32-33.

[3]黃元植，黃銳敏.基于藍牙芯片CC2541的計步器設計[J]電腦與電信，2017，（5）：69-72.

[4]周洲.基于單片機的運動計步器設計與實現[J].智能城市，2016，（12）：2-3.

[5]李博戈，許曉飛.智能加速度計在電子計步器中的應用[J].電子技術，2016，（7）：55-57.