健身計步器的設計與實現

苗子蕊 吉麗娜

摘要：為了增加跑步健身運動中計步數值的精確性以及跑步的趣味性，設計了基于紅外光電傳感器、OLED顯示屏、MP3模塊以及STM8L嵌入式微處理器的健身跑步計步器系統，并實現了硬件電路和軟件程序的功能。該系統通過紅外光電傳感器的發射端通電連續發射紅外光，接收端接收紅外紅外線并轉換成電信號，由單片機采集電信號并計數，結果在顯示屏上顯示。此外，加入MP3模塊實現播放音樂和語音提示功能，增加了系統的娛樂性質。實際測試結果表明，系統能夠在不同的步頻數值下實現精確的跑步步數計數，滿足跑步用戶的正常使用。

關鍵詞：健身;跑步;計步器;紅外光電;傳感器;顯示屏;單片機

中圖分類號：TP29? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）23-0068-04

Abstract： In order to increase the accuracy of step count value and the interest of running in fitness exercise， a pedometer for fitness running system based on infrared photoelectric sensor， OLED display， MP3 module and STM8L embedded microprocessor is designed， then functions of hardware circuit and software program are realized. In this system， transmitter of infrared photoelectric sensor is electrified to continuously emit infrared light， and the receiver receives infrared light and converts it into electrical signal. The electrical signal is collected and counted by single chip microcomputer， and the result is displayed on the display screen. In addition， MP3 module is added to realize the function of playing music and voice prompt， which increases the entertainment nature of the system. The actual test results show that the system can achieve accurate running step count under different step frequency values， and satisfy the normal use of running users.

Key words： fitness; running; pedometer; infrared photoelectric; sensor; microprocessor

跑步是所有健身運動中較為容易完成的運動之一，對健身的場地和器材要求較低，各個年齡段的健身愛好者均能參與。每天適當的走路步數具有釋放工作壓力、促進身體血液流動以及增強心肺功能等好處[1]。研究表明，人們在合適的運動步數和步頻數值范圍內進行跑步運動，能夠達到理想的能量消耗和健康鍛煉效果[2]。基于這些用戶需求，市場上多種健身計步器產品被開發使用，主要包括可穿戴式手環、智能手機App以及運動品牌公司的智能跑鞋[3-4]。基于手環和手機App的計步原理都是基于加速度傳感器的算法及改進方法實現[5]，精度較差，而且容易數據作假，電子商務網站例如淘寶網上有專門針對手機跑步的刷步數的搖擺器，且無法實時查看步數數據，需要抬手或者拿出手機查看。基于智能跑步鞋的原理是基于壓力傳感器的數據采集，通常會通過藍牙連接手機App客戶端進行數據傳輸，數據需要在廠商開發的App中查看，不是很方便。

基于現有的健身計步器存在的不足，本文設計一種固定在護膝綁帶上的智能計步器，通過一側綁帶上的發射光電二極管模塊發射紅外光線，另外一側膝蓋位置的綁帶上固定的紅外光電接收陣列模塊接收光線，當跑步過程中兩腿膝蓋交匯時刻，接收端收到發射端的光電信號，微處理器模塊根據光電信號統計跑步的步數，在OLED顯示屏顯示數據，同時控制音頻模塊播放數字。此外，該智能計步器還具備音樂播放功能，根據用戶的需求設置相應按鍵即可。

1 方案設計

1.1 跑步姿態分析

跑步運動過程中主要是上肢兩側手臂和下肢兩條腿在不停地切換擺動，假設脊椎下端和下半身的交叉點位置固定不變，則左右側膝蓋的節點到交叉點位置相當于兩個單擺，交錯著前后擺動，如圖1所示為人體主要關節的簡化示意圖。

通過觀察分析跑步過程中兩側腿重復落地和騰空的姿態發現，在其中一側腳掌觸地之后，另一側跟著從后側擺動到前側的過程中，左右兩側的膝蓋關節點內側位置要交匯相遇一次，如圖2所示，第一幀圖像運動員左腳著地，右腳跟著往前擺動，到第二幀圖像時刻，運動員的右側膝蓋與左側膝蓋內側會交匯相遇，之后距離拉開，直到第七幀圖像右腳著地，這個過程可以記錄一次步數。同理，當左腳跟著往前繼續擺動往前，左側膝蓋內側會交匯遇到右側膝蓋節點，一直重復并記錄步數。

1.2 系統設計

基于跑步姿態的左右側膝蓋交匯相遇的特點，設計了基于紅外光電對射開關原理的計數器裝置[6-7]，方案的簡要示意圖如圖3所示，圖3中標號1和4代表護膝綁帶分別可以套在左右腿的膝蓋范圍處，其中一側如標號2的位置是一列紅外發光二極管模塊，打開控制開關后，不斷地向側方發射紅外光線;另一側標號3處是紅外二極管接收模塊，接收信號后由單片機系統處理計數功能。紅外光電信號收發兩端的模塊是獨立的兩套系統，可以從護膝綁帶上拆卸下來，以便于浸染汗漬的綁帶清洗及循環使用。