基于加速度傳感器的計步器設計

李雪梅 車愛靜 高煥明

摘 要：近年來，人們越來越重視養生與身體鍛煉，而計步器可以作為檢測運動量的重要工具。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，然后傳輸給單片機進行步數統計，最后由LCD顯示器直接顯示出步數信息。軟件部分采用峰值檢測和時間閾值共同實現計步。實驗證明計步器的精確度高、功耗小，魯棒性強。

關鍵詞：加速度傳感器；計步器；單片機；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，人們越來越關注身體健康，人們可以根據個人的健康情況來訂制適合自己的運動量，計步器成為檢測運動量的重要工具。早期的計步器是機械式的，精確度低，逐漸被便攜式的電子計步器取代。

通過研究發現，人體在行走的過程中會產生前向、側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據，因此用ADXL345加速度傳感器來采集人體運動時的加速度信息。

1 設計方案

基于加速度傳感器的計步器硬件電路[1]設計由以下幾部分組成：單片機STC89C52與晶振電路和復位電路構成的最小系統，三軸加速度傳感器ADXL345，LCD1602顯示模塊，電源電路。硬件結構框圖如圖1所示：

單片機STC89C52作為計步器的控制系統，可以對數據進行處理、計算。三軸加速度傳感器ADXL345是一款體積小低成本的傳感器，自身集成了信號調理、濾波的功能。LCD1602作為人機交互界面，功耗低，體積小，用于顯示當前的步數、里程等信息。在人體運動過程中，三軸加速度傳感器ADXL345采集人體的加速度信號，經過模數轉換，傳輸給單片機STC89C52，單片機對數據進行處理、計算，然后傳輸給LCD1602，則運動的步數，里程等信息直觀顯示出來，整個系統由電源電路供電。

2 工作流程設計

由于人體運動時產生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不同，在完整的一步中，其變化趨勢[2]如表1所示：

統計步數時需要將采集到的三個數據合成一個總的加速度。一般合成加速度的方法是對3個方向的加速度進行平方求和再開方[3]，即：

（1）

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

文獻[4][5]采用峰值檢測法來計步，即首先將加速度傳感器ADXL345采集到的信號進行去噪、平滑濾波等預處理，然后檢測正弦波是否達到波峰，如果達到波峰則說明完成一個邁步周期，則步數加1，如果波形沒達到波峰，則繼續檢測。但是這種單純靠峰值來檢測的方法容易造成誤判，當運動過程中產生一些不是步伐的振動時，波形也會出現一些小的波峰，這時如果因為檢測到波峰就將步數加1，則會造成誤判，使得計步器準確率不高。為了克服這個缺點，可以用時間閾值進一步檢測來提高準確率。

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，應該剔除。因此利用峰值檢測法如果檢測到正弦波達到了峰值，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之間則可將當前峰值視為有效信號，當前步數加1，反之，當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行多次實驗，每次實際步行100步，實驗結果如表2所示。通過對結果分析可以看出，本文所提出的基于加速度傳感器的計步器精確度較高，準確率可達到97%以上，能實現較精確的計步。

4 結語

本文提出的基于加速度傳感器的計步器硬件電路設計較簡單。軟件部分針對峰值檢測法的缺點，利用時間閾值進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確率，實現了較精確的步數統計，實驗表明，該計步器的計步準確率達到了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用前景。

參考文獻：

[1]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（06）：32-34.

[2]梁久禎，朱向軍，陳璟.基于手機加速度傳感器的高精低采樣計步算法設計[J].西北大學學報，2015，45（05）：738-744.

[3]張海峰，衛震.基于手機加速度傳感器的低頻計步算法研究[J].杭州電子科技大學學報，2017，37（03）：11-14.

[4]鐘晨.基于單片機技術的可穿戴智能手環設計[J].微處理機，2017，3（06）：75-78.

[5]黃豪杰.基于六軸加速度傳感器的計步算法研究[J].數字技術與應用，2017（09）：128-130.

[6]韓文正，馮迪，李鵬等.基于加速度傳感器LIS3DH的計步器設計[J].傳感器與微系統，2012，33（11）：97-99.

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。