基于單片機的簡易計步器設計

杜波等

摘 要：為了滿足人們的健身需求，設計一種以單片機為核心的簡易計步器，利用三軸加速度傳感器采集人體運動中的加速度信號，利用卡爾曼濾波對信號進行處理，并對濾波后的加速度信號進行整合和分析，從而對人體運動的“一步”進行判斷，從而實現計步功能。系統配有日歷時鐘電路，可提供時間信息。根據步數可計算距離、速度和卡洛里等相關參數，通過顯示器和語音進行輸出，其系統結構簡單，價格低廉，滿足計步需求。

關鍵詞：計步器；加速度傳感器；AT89S52；卡爾曼濾波

引言

伴隨經濟的快速發展，人們生活水平不斷提高，導致肥胖的人越來越多，也帶來了許多健康問題。而快節奏的生活使人們沒有那么多的時間去運動，因此需要一種簡易的鍛煉手段。計步器是一種日常鍛煉的輔助設備，簡便易用，在工作、生活中可隨時監測人們的運動，受到人們的普遍歡迎。目前市場上的計步器分為機械式和電子式兩種，機械式不夠精準，而電子式往往價格昂貴。設計一種簡易的計步器，實現計步功能，價格低廉，可計算跑步時或走步時的步數、距離、速度、運動的卡洛里參數。具有存儲功能，人們可對自己的運動狀態進行長期監測。

1 設計方案

整個系統由控制器、加速度傳感器、鍵盤、顯示器、外部存儲芯片和時鐘芯片構成，通過加速度傳感器對人體運動中的加速度信號進行采集，經過單片機的分析處理，整理出運動步數，并計算出距離、速度、卡洛里等相關信息。外接時鐘芯片和存儲芯片，提供日期和時間信號，并對數據進行存儲。并配有鍵盤顯示電路和語音提示電路，系統框圖如圖1所示。

2 硬件設計

簡易計步器硬件系統采用Atmel公司的AT89S52作為控制器，整個硬件系統主要可分為三大部分：采集電路、人機交互電路和其他電路。

2.1 采集電路設計

系統主要采集信號是人體運動過程當中的加速度信號，采用傳感器MPU6050，它集成了3軸MEMS 陀螺儀和3軸MEMS的運動處理加速度傳感器。具有I2C接口，加速器感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g，具有最高至400kHz的I2C或最高達20MHz的SPI接口。模塊內部自帶電壓穩定電路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系統，使與控制器連接方便。圖2位MPU6050的三維方向示意圖，MPU6050與AT89S52接口電路采用I2C接口方式。

2.2 人機交互電路設計

人機交互電路包括鍵盤、顯示電路和語音電路，主要提供計步器與外部的信息交換。鍵盤采用獨立式按鍵，電路簡單。顯示電路采用液晶傳感器，LCD1602顯示模塊是字符型，能夠顯示字母和數字，以及符號等點陣。LCD1602的接口方式有并行和串行兩種方式，設計采用并行方式。系統除了提供液晶顯示以外，還提供語音輸出功能，方便人們在達到運動中得到及時的提示。語音芯片采用ISD1820，ISD1820供電電壓為直流3-5V，可實現10秒鐘的語音錄放，并具有循環播放，點動播放，單邊播放功能，并可用單片機控制。首先搭建語音按鍵控制電路，利用按鍵和麥克對語音進行錄制，然后將按鍵控制電路改為單片機控制的語音電路。

2.3 其他電路設計

其他電路包括時鐘電路和外部存儲電路。為了準確的提供日期和時間，系統外接時鐘電路，采用DS1302，DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V，采用三線接口與CPU進行同步通信。

系統每次對人體運動中的加速度信號進行采集和分析，得到運動的步數，并通過軟件計算相關數據，如距離、速度、運動卡路里，以及本次運動的日期和時間等數據，這些數據將被存儲在外部數據存儲器當中，可通過按鍵對以往數據進行調用和顯示。外部存儲芯片采用AT24C02，這是一個2K串行CMOS E2PROM，內部含有256個8位字節，I2C接口并具有一個專門的寫保護功能。

3 軟件設計

3.1 采樣頻率設定

根據資料顯示，人行走的頻率一般在110步/min（1.8Hz）[1]，跑步時的頻率不會超過5Hz，因此系統選擇100Hz的采樣率，可以比較準確地反映加速度信號的變化。

佩戴加速度傳感器，使傳感器的X軸指向正前方，Y軸指向豎直向上，Z軸指向右方，采集加速度信號如圖3所示。從波形圖中可以明顯看出人在走步時的脈動。

3.2 數據分析

不同的人行走會有不同加速度大小的輸出，傳統方法是采用一軸最大加速度輸出為有效的輸出[2]。從采集數據波形上直接分析步數并不是很明顯，因此首先采用卡爾曼濾波對數據進行處理，然后對濾波后的三軸加速度進行合成。

a=■ （1）

合成后，合成加速度a的波形圖如圖4所示，與圖3相比較，波形脈動情況更加清晰。系統的計步功能啟動后，有一個初始過程，在此過程中，記錄運動者的合成加速度信號的峰值并存儲，然后開始利用略低于峰值的值作為閾值，對“一步”進行判斷，每一步都有從下往上和從上往下經過閾值的過程，判斷出一次此過程，計一步，從而實現計步功能。時鐘芯片提供時間，通過相應運算，可計算得到距離、速度、卡路里等參數。

3.3 軟件流程

根據設計思路，繪制軟件流程圖如圖5所示，編寫軟件程序，實現系統功能。

4 結束語

簡易計步器以AT89S52單片機為核心，對人體運動中的加速度信號進行采集和定位，經卡爾曼濾波處理后，對加速度信號進行合成，通過對合成信號的分析，對“一步”進行判斷，從而實現計步功能。并可進一步計算距離、速度、卡洛里等參數，通過液晶顯示器和語音電路進行信息提示，并可將參數信息進行存儲，同時系統配有按鍵功能，方便人們對存儲數據進行提取，方便對自身的運動情況進行長期觀測。簡易計步器方便人們在日常工作和生活中進行鍛煉，其體積小，價格低廉，具有實用性。

參考文獻

[1]尚亮，周先國，韓新紅.基于Labview 的加速度傳感器運動信息采集平臺設計[J].計算機測量與控制，2009（9）：1790-1792.

[2]張軍建.基于三軸加速度傳感器的體位突變檢測研究[D].山東：山東師范大學，2014.

[3]張團善，何穎.卡爾曼濾波在兩輪自平衡代步車姿態檢測中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2014（5）：33-35.

[4]InvenSense Inc. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.2.pdf. www.invensense.com， 2011：7.