基于三軸加速度傳感器的計(jì)步器的設(shè)計(jì)

陳蔚

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

關(guān)鍵詞：三軸加速度傳感器；計(jì)步器；數(shù)字濾波

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0181-03

近年來(lái)隨著全民健身意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注身體的健康。各種強(qiáng)身健體方式中步行是一種科學(xué)、安全、時(shí)尚又易行的好方法。計(jì)步器是一種步行鍛煉時(shí)有效又方便的計(jì)量工具，通過(guò)統(tǒng)計(jì)步數(shù)、距離、速度、時(shí)間等數(shù)據(jù)，可以掌握運(yùn)動(dòng)量，估算行走距離，實(shí)時(shí)監(jiān)控健身強(qiáng)度，以防運(yùn)動(dòng)不足或是運(yùn)動(dòng)過(guò)量。所以計(jì)步器已成為一種日常鍛煉中有用的便攜工具。

早期的計(jì)步器采用振動(dòng)傳感器。其平衡錘在上下振動(dòng)時(shí)平衡被破壞，使一個(gè)觸電出現(xiàn)通/斷動(dòng)作，再由計(jì)數(shù)器記錄并顯示來(lái)完成計(jì)步功能，也稱機(jī)械式計(jì)步器。誤差偏大，但價(jià)錢便宜。電子式計(jì)步器采用加速度傳感器，通過(guò)檢測(cè)人體行走時(shí)步態(tài)加速度的信號(hào)，然后通過(guò)相關(guān)軟件算法計(jì)算出人體行走的步數(shù)，因而計(jì)步更精確，體積更小。本設(shè)計(jì)的方案是采用三軸加速度傳感器捕捉人體行走時(shí)三個(gè)方向的加速度，通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算和分析，計(jì)算出人體行走的步數(shù)。

1 工作原理

人體邁步過(guò)程中，重心會(huì)隨著人體運(yùn)動(dòng)在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)規(guī)律性的變化。腳蹬地離開(kāi)地面時(shí)，地面的反作用力會(huì)使垂直加速度開(kāi)始增大，身體重心上移，當(dāng)腳達(dá)到最高位置時(shí)，腳的垂直速度最小，但垂直加速度最大。當(dāng)腳向下落時(shí)，垂直加速度開(kāi)始減小，落地時(shí)加速度達(dá)到最小值。前向加速度由腳與地面的摩擦力產(chǎn)生，加速度最小值對(duì)應(yīng)的是腳離開(kāi)地面時(shí)，最大值對(duì)應(yīng)腳抬最高處。可見(jiàn)加速度變化一個(gè)周期就是人體運(yùn)動(dòng)的一步。當(dāng)把加速度傳感器隨身攜帶時(shí)，傳感器的輸出電壓會(huì)隨著人體的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)規(guī)律化的變化。單片機(jī)獲取傳感器輸出電壓的變化，可計(jì)算和顯示出人體行走的步數(shù)。

2 硬件組成

根據(jù)上述工作原理，本設(shè)計(jì)計(jì)步器硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該計(jì)步器由PIC16F877單片機(jī)，液晶顯示模塊LCM103和三軸加速度傳感器ADXL335構(gòu)成。傳感器采集數(shù)據(jù)并送單片機(jī)處理，處理后的結(jié)果送液晶顯示。

2.1 ADXL335三軸加速度傳感器

本設(shè)計(jì)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(duì)外輸出X、Y、Z三個(gè)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(shí)，傳感器靜態(tài)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(nèi)，擁有±3g的測(cè)量范圍。

ADXL335采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)。在加速度的作用下，傳感器中多晶體硅結(jié)構(gòu)的偏移會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)電容器的電容值發(fā)生變化。進(jìn)而導(dǎo)致積分電路中輸出的模擬電壓值也發(fā)生線性變化。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，XOUT、YOUT、ZOUT輸出三個(gè)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(shè)計(jì)

根據(jù)ADXL335手冊(cè)說(shuō)明，通過(guò)原理圖中的CX、CY、CZ能夠給傳感器設(shè)置一個(gè)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(gè)0.01μF的電容，對(duì)應(yīng)的帶寬為50Hz，可有效限制傳感器在測(cè)量中的噪聲干擾。為了減少電源干擾，將ADXL335電源端外接一個(gè)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(shè)計(jì)的控制部分由單片機(jī)完成。單片機(jī)選用PIC16F877，該機(jī)最大的特點(diǎn)是省電，適合設(shè)計(jì)便攜式設(shè)備；35條簡(jiǎn)單指令集，編程簡(jiǎn)便；集成多種外設(shè)，簡(jiǎn)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(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)選用段碼式液晶顯示屏LCM103顯示測(cè)距結(jié)果。LCM103是10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊，內(nèi)含兩種頻率的蜂鳴驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)置顯示RAM，可顯示任意字段筆劃，低功耗，顯示清晰，編程簡(jiǎn)單，是儀器儀表通用型顯示模塊。其片選信號(hào)與PIC16F877的RB1腳相接，模塊數(shù)據(jù)/指令寫入線連RB2，數(shù)據(jù)輸入輸出線連RB3。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成計(jì)步器的數(shù)據(jù)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(cè)向加速度的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后變得平滑。為了降低計(jì)步器的放置位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本設(shè)計(jì)將三路濾波后的數(shù)據(jù)取模得到三軸合一的整體加速度。并且動(dòng)態(tài)設(shè)定一個(gè)閥值，當(dāng)采集到的整體加速度正負(fù)穿越此閥值一次便記一步。同時(shí)每采集一定數(shù)據(jù)就更新一次閥值，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。通常人體每秒行走0.5步到3步，最多不超過(guò)5步。設(shè)置合適的時(shí)間閥值可排除無(wú)效振動(dòng)。數(shù)字濾波子程序如圖4所示，數(shù)據(jù)檢測(cè)流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是以ADXL335三軸加速度傳感器為核心，以PIC單片機(jī)為控制器的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)讀取三軸加速度傳感器X、Y、Z三軸輸出的模擬電壓，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理、算法計(jì)算等得到人體邁步數(shù)據(jù)，最后通過(guò)液晶顯示出來(lái)。采用這種方案的計(jì)步器系統(tǒng)具有功耗低、質(zhì)量輕、成本低、抗振動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

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