基于單片機的便攜式多功能計步器

李佳偉 呂東澔

摘 ?要：當前由于人們對健步的喜愛，急需一種既可以精確計步又可以在服健身服時被攜戴在身的裝置，一種基于單片機的便攜式多功能計步器便由此而生。本電子手表既可以實現精準計步又可以顯示時間、日期和溫度，輔助以“千伐報步”、溫度預警和鬧鐘等功能。

關鍵詞：單片機計步器;可穿戴手表;步數檢測;計步流程

1 ? 引言

當今的人們正日益地重視自己的身體健康，比起以前的食不果腹和風餐露宿，現在的人們反而多了幾分食不厭精與關心天氣溫度的喜好，因此人們正日益地注重對身體的呵護和體魄的鍛造。然而，散步是為了放松，跑步是為了釋放;醫學發現適當的健步能促進人的身心健康，轉移人的注意力，緩解人的焦慮情緒和壓力，對焦慮癥、肥胖癥和體弱癥的治療有相當好的輔助效果，是一種較好的健身方式。為了讓人們在健步時體驗到安靜、輕巧和精準計步的效果，設計一款計步器很有必要。

2 ? 方案總述

本手表以市場上常見的學生手表為設計原模，并在此基礎上用計步功能代替其原本的計時功能，同時加入了溫度顯示功能、“千伐報步”功能、溫度預警功能以及總步數存取功能。它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和判斷，整理出當前的步數，并根據人的需要對當前的步數進行存儲。

為實現以上要求，本產品的整個系統由[1]52單片機、加速度傳感器ADXL345、溫度傳感器DS18B20、四個獨立按鍵、顯示器LCD1602、單片機內部ROM、蜂鳴器和時鐘芯片DS1302組成。

3 ? 步數檢測原理

當人完成一次健步過程時，其身體三個方向上的加速度的變化將呈現出一定的周期性，特別[4]是前向（X軸）和縱向（Z軸）的加速度的變化與步行周期中的各時期的變化有著確切的聯系，其三個方向上的加速度波形如圖1所示。若將人步行一步定義為一個周期，在步行的時候，由于人四肢的活動最為顯著，因此此時人的手臂必會產生一個對應的加速度，這時，若將采集到的加速度信號還原成連續的波形信號，則會發現：人體在步行時所產生的加速度信號起伏顛簸且近似呈正弦波變化。因此，若能精準地統計出這些周期數，便可實現計步功能[2-4]。經研究鑒定出：這些周期的時長皆在0.2s～2s[2-4]之間，其半個周期時長俱在0.1s～1s之間。

為了滿足精準計步的要求，本設計首先將通過加速度傳感器采集到的前向加速度信號和采集到后并經向下平移處理的縱向加速度信號合成為一個合成加速度。其合成的方法是[3-5]對前向和經向下平移后的縱向加速度分別取平方，再求和最后再開方。然后使用高斯濾波器對合成加速度進行濾波。高斯濾波[5-6]是帶有權重的加權平均，它利用高斯分布來生成權重，令對稱中心的權重為最大，令越遠離中心的點的權重越小，如此可以很好地消除脈沖干擾和毛刺，使波形充分正弦化。

經實驗發現：經濾波后的合成加速度為一正弦波。接著設立一個立足于實踐的合適的正半周閥值A（A>0）。當被檢測到的合成加速度信號X1>=A時就表示信號到達了正半周，此時便記錄下這個X1，再根據人行走一步的前后和上下動作的對稱原理，當繼而檢測到另一個合成加速度信號X2滿足X2≈-X1且X2與X1的時間間隔正好在0.1s～1s之間時，則表示已成功地“走了一步”。這里，若閾值A被設立得過大則容易導致步數被多計，反之，若設立得過小則容易導致步數被少計。

4手表簡介

本手表有4種模式，其中，模式0（引索為0）為正常時間顯示模式，每50毫秒刷新一次時間顯示。模式1（引索為1）為計步模式，在該模式下屏幕會一直保持同時顯示“當前步數”和“總步數”。模式2（引索為2）為鬧鈴設置模式;模式3（引索為3）為時間設置模式，在該模式下，每修改一次參數就刷新這位的參數顯示。

電子表上共有四個鍵：左上角reserve鍵，保存鍵，用于顯示溫度和保存當前步數到總步數。左下角mode鍵，模式鍵，點擊可以轉化不同的模式。右上角start鍵，開始鍵，用于加減時間，在計步模式時用于啟停計步。右下鍵rest鍵，復位鍵，用于轉換下一個修改參數，在計步模式中用于重置“當前步數”。

5 ? 軟件設計

系統的主函數流程：開始→所有模塊初始化→判斷模式的“引索”→進入相應模式→判斷是否有按鍵按下→執行相應的按鍵程序→返回到“判斷模式的‘引索”。

計步模式的子函數流程：進入模式1→清屏→顯示當前步數和總步數→（步四）來回顯示當前步數并分別判斷是否有開始鍵、復位鍵、保存鍵和模式鍵按下→若開始鍵按下則進入下一步，若復位鍵按下則重置當前步數并返回到上一步，若保存鍵按下則加入當前步數到總步數并刷新總步數顯示并返回到上一步，若模式鍵按下則中斷當前模式1子函數并重置引索回到模式0→來回采集加速度信號當加速度滿足指定的條件時則令當前步數加一并刷新當前步數顯示，并來回判斷是否有開始鍵和模式鍵按下→若開始鍵按下則跳轉到“步四”，若模式鍵按下則退出當前模式1子函數并重置引索回到模式0。

參考文獻

[1] ?杜波，張卓，尹璐.基于單片機的簡易計步器設計[J].科技創新與應用，2015：19-20.

[2] ?薛娓娓，李娣娜，馬惠鋮.基于軸加速度傳感器的智能計步器設計[J].價值工程，2019：162-164.

[3] ?李雪梅，車愛靜，高煥.基于加速度傳感器的計步器設計[J].山東工業技術.2019：142-143.

[4] ?付三麗，張楚楊，王英輝，黃恒一等.智能人體計步器的設計[J].智能處理與應用，2020：80-85.

[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，2017：128-130.

[6] ?ZhaoN.Full-FeaturedPedometerDesignRealizedwith3-AxisDigitalAccelerometer[J]AnalogDialogue，2011，（06）.

基金項目：內蒙古科技大學教育教學改革研究項目（JY2019052）

作者簡介：李佳偉（1997-），男，湖南衡陽人，本科在讀，研究方向：主要從事plc系統、單片機系統、嵌入式系統方面的研究。