伴隨著人們生活質(zhì)量和科技水平的提高，輔助鍛煉設(shè)備不斷出現(xiàn)，智能計(jì)步器就是一種日常鍛煉監(jiān)測器，通過記錄人們行走的步數(shù)，監(jiān)測自己的健身強(qiáng)度，方便實(shí)用。加速度傳感器可用于間接步數(shù)檢測。由于近年來MEMS加速度傳感器發(fā)展很快，并具有價(jià)格低、體積小、功耗低、精度高的特點(diǎn)，利用其來設(shè)計(jì)電子計(jì)步器，已經(jīng)多有報(bào)道，市場上也有產(chǎn)品出售。目前存在的主要問題是計(jì)步精度，盡管在加速度的檢測上傳感器的精度高，但是計(jì)步卻受到諸多干擾影響，精度難以保證。
 

 

　　智能計(jì)步器解決方案的功能

　　1、步數(shù)計(jì)算

　　計(jì)步器顧名思義，自然是計(jì)步了，衡量一個(gè)計(jì)步器的好壞也是看它的計(jì)步是否準(zhǔn)確，但每個(gè)人的步伐大小不一樣，如果能根據(jù)使用者自身情況制定，那就是它的獨(dú)到之處了，計(jì)步器最高數(shù)字可達(dá)99999。

　　2、卡路里計(jì)算

　　計(jì)算步伐消耗的同時(shí)也計(jì)算了所燃燒的卡路里，可以自行設(shè)置體重的范圍區(qū)間，一般常見區(qū)間為20-160公斤，然后根據(jù)體重?cái)?shù)換算出消耗的卡路里。，而卡路里的指數(shù)最高也顯示到9999.99卡。

　　3、時(shí)間功能

　　可以隨時(shí)了解當(dāng)前的時(shí)間，便于調(diào)整自己的生活，還可以設(shè)定倒計(jì)時(shí)，設(shè)定自己運(yùn)動(dòng)量以及運(yùn)動(dòng)時(shí)間，合理安排自己的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃，同時(shí)也具有秒表功能，如此看，計(jì)步器像不像自己的私人運(yùn)動(dòng)管家呢?

　　4、距離統(tǒng)計(jì)

　　也可以統(tǒng)計(jì)距離,但連續(xù)9步才能統(tǒng)計(jì)距離，一般可顯示999.99公里，一般也夠統(tǒng)計(jì)了，可以累計(jì)統(tǒng)計(jì)。一般都是與步數(shù)統(tǒng)計(jì)所對應(yīng)，通過總距離數(shù)，除以您的步伐，您也可以算出自己平均每步所走的距離，很是實(shí)用。

　　5、心率顯示

　　高端計(jì)步器都有心率顯示，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測心率，隨時(shí)監(jiān)督自己的健康狀況。而且無需胸帶，也沒有束縛，非常方便、舒適。

　　智能計(jì)步器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　基于加速度信號檢測的計(jì)步器原理

　　距離、速度、加速度等都可以作為描述人體行走狀態(tài)的的參數(shù)。近年來由于MEMS加速度傳感器的快速發(fā)展和其特性，使其用于人體運(yùn)動(dòng)檢測更加方便。

　　行走時(shí)，腳、腿、腰部，手臂都在運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)都會產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，垂直方向的加速度信號變化最大。腳蹬地離開地面是一步的開始，此時(shí)由于地面的反作用力垂直加速度開始增大，身體重心上移，當(dāng)腳要達(dá)到最高位置時(shí)，垂直加速度達(dá)到最大，然后腳向下運(yùn)動(dòng)，垂直加速度開始減小，直至腳著地，加速度減少至最小值，接著下一次邁步發(fā)生。

　　人體腰部的垂直加速度信號所示，每邁一步對應(yīng)一個(gè)峰值，顯然信號具有周期性。利用對加速度的峰值檢測可以獲得行走的步數(shù)。人行走的垂直加速度在±g之間(1g為9.8 m/s2即重力加速度)，考慮到還有重力加速度g的影響，可選擇測量范嗣在±2 g之間的加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)計(jì)步器。

　　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　MEMS傳感器MMA8452Q負(fù)責(zé)檢測人體加速度信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過I2C接口傳遞給控制器;經(jīng)控制器分析處理，確定為有效的計(jì)步信息后，步數(shù)加1并送給LCD顯示器;按鍵則將一些設(shè)定信息傳遞給控制器。

　　方案選擇具有12位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機(jī)械加速度傳感器，其主要特性如下：

　　可以感受X，Y，Z 3個(gè)自由度的加速度信號，感知人體運(yùn)動(dòng)信息。具有±2 g/±4g/±8 g的可選量程。傳感器的靈敏度在±2 g量程時(shí)為1 024個(gè)數(shù)字/g，靈敏度精度為±2.5個(gè)百分點(diǎn)。

　　采集的加速度數(shù)據(jù)可以通過傳感器內(nèi)部的高通濾波器實(shí)時(shí)輸出，濾波器的截止頻率可以軟件設(shè)置。也可以不經(jīng)過濾波器直接數(shù)據(jù)輸出。輸出信號已被轉(zhuǎn)換為12位(或8位)數(shù)字量信號，經(jīng)I2C接口輸出，輸出數(shù)據(jù)速率在1.25 Hz到800Hz之間可調(diào)。

　　傳感器內(nèi)嵌的DSP處理功能使芯片具有中斷能力，當(dāng)設(shè)定的“自由下落和運(yùn)動(dòng)檢測”“瞬態(tài)變化檢測”“方向檢測”“輕敲檢測”“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”“自動(dòng)休眠”等6種事件中任意一種發(fā)生時(shí)，配置的中斷引腳(INT1或INT2)就可以產(chǎn)生硬件喚醒的中斷申請信號，通知控制器處理預(yù)定的事件。這樣既減輕了控制器不斷查詢處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，也可以節(jié)省整體功耗，使其大部分時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)保持低功耗模式，同時(shí)完成監(jiān)測任務(wù)。

　　在滿足計(jì)步器功能的前提下，本設(shè)計(jì)選擇價(jià)格低廉的AT89S2051單片機(jī)作為控制器，主要使用其外部事件中斷、定時(shí)器中斷、并行口等硬件資源。顯示屏選擇了8位LCD顯示器，用于計(jì)步信息的實(shí)時(shí)顯示，與主機(jī)采用串行方式傳遞數(shù)據(jù)。按鍵主要用于自標(biāo)定設(shè)置。

　　抗干擾設(shè)計(jì)

　　人在行走時(shí)的垂直加速度信號雖然具有一定的周期性，但由于傳感器靈敏度較高，原地晃動(dòng)等都會產(chǎn)生于擾噪聲，直接計(jì)步容易出錯(cuò)。需對信號進(jìn)行處理，盡可能消除噪聲影響。通常情況下，人的步頻至快不會超過5步/秒，至慢為0.5步/秒。因此，可以認(rèn)為原始信號中頻率為0.5～5 Hz的信號為有用信號，其他信號均為噪聲。

　　傳感器自帶抗干擾功能的利用

　　高通濾波器的設(shè)置

　　數(shù)字式傳感器，對檢測信號的模擬濾波在芯片內(nèi)部進(jìn)行，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸出。對于“敲擊”“輕彈”“搖動(dòng)”“計(jì)步”等信號的檢測過程中，加速度傳感器只需要分析動(dòng)態(tài)加速度信號，即加速度的變化情況，無需考慮靜態(tài)情況，因此可以對數(shù)據(jù)做高通濾波。

　　在傳感器內(nèi)部有一個(gè)內(nèi)嵌的高通濾波器，可以通過軟件設(shè)定低頻截止頻率。根據(jù)選擇的數(shù)據(jù)輸出速率和數(shù)據(jù)過采樣模式，低頻截止頻率可以在0.063～16 Hz之間選擇。數(shù)據(jù)通過該濾波器輸出，從而消除信號中直流偏置及低頻信號的影響。我們設(shè)計(jì)的計(jì)步器截止頻率設(shè)置在0.5 Hz。

　　中斷閾值的使用

　　傳感器有兩個(gè)外部引腳INT1和INT2。每個(gè)引腳通過軟件設(shè)置可以和6個(gè)事件(“自由下落和運(yùn)動(dòng)檢測”“瞬態(tài)變化檢測”“方向檢測” “輕敲檢測”“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”“自動(dòng)休眠”)綁定在一起。當(dāng)傳感器檢測到任一事件發(fā)生時(shí)，即可發(fā)出中斷申請信號，可以避免主控制器頻繁讀取傳感器的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)分析及處理工作。

　　自標(biāo)定方法

　　計(jì)步器配置了兩個(gè)按鍵：“直接計(jì)步按鍵”、“自標(biāo)定按鍵”。如果計(jì)步器工作后直接按下“直接計(jì)步按鍵”，計(jì)步器按1～5Hz的行走頻率設(shè)置時(shí)間窗口，并按這個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如果計(jì)步器工作后先按下“自標(biāo)定按鍵”，則進(jìn)入自標(biāo)定過程。連續(xù)行走10步，每走1步要同時(shí)按下“自標(biāo)定按鍵”一次。計(jì)步器會記錄10次的時(shí)間間隔ti(i=0～9)，求出平均值Tp，及偏差vi=|ti-Tp|(i=0～9).南此確定個(gè)人的行走頻率范圍，并利用時(shí)間窗口的限制進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以獲取較高的準(zhǔn)確度。