| 标题 | 基于加速度传感器的计步器设计 |
| 范文 | 李雪梅 车爱静 高焕明 摘 要：近年来，人们越来越重视养生与身体锻炼，而计步器可以作为检测运动量的重要工具。提出了一款基于加速度传感器的计步器设计方案，硬件部分用加速度传感器采集加速度信号，然后传输给单片机进行步数统计，最后由LCD显示器直接显示出步数信息。软件部分采用峰值检测和时间阈值共同实现计步。实验证明计步器的精确度高、功耗小，鲁棒性强。 关键词：加速度传感器；计步器；单片机；计步算法 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.119 0 引言 随着生活水平的不断提高，人们越来越关注身体健康，人们可以根据个人的健康情况来订制适合自己的运动量，计步器成为检测运动量的重要工具。早期的计步器是机械式的，精确度低，逐渐被便携式的电子计步器取代。 通过研究发现，人体在行走的过程中会产生前向、侧向和垂直三个方向的加速度，而三轴加速度传感器恰好可以采集三个方向的信号数据，因此用ADXL345加速度传感器来采集人体运动时的加速度信息。 1 设计方案 基于加速度传感器的计步器硬件电路[1]设计由以下几部分组成：单片机STC89C52与晶振电路和复位电路构成的最小系统，三轴加速度传感器ADXL345，LCD1602显示模块，电源电路。硬件结构框图如图1所示： 单片机STC89C52作为计步器的控制系统，可以对数据进行处理、计算。三轴加速度传感器ADXL345是一款体积小低成本的传感器，自身集成了信号调理、滤波的功能。LCD1602作为人机交互界面，功耗低，体积小，用于显示当前的步数、里程等信息。在人体運动过程中，三轴加速度传感器ADXL345采集人体的加速度信号，经过模数转换，传输给单片机STC89C52，单片机对数据进行处理、计算，然后传输给LCD1602，则运动的步数，里程等信息直观显示出来，整个系统由电源电路供电。 2 工作流程设计 由于人体运动时产生3个方向的加速度，每个迈步周期中三个方向的加速度变化特点不同，在完整的一步中，其变化趋势[2]如表1所示： 统计步数时需要将采集到的三个数据合成一个总的加速度。一般合成加速度的方法是对3个方向的加速度进行平方求和再开方[3]，即： （1） 其中，，和分别为前向、侧向和垂直方向的加速度信号，为合加速度。研究发现，合加速度值呈周期性变化，近似于正弦波形，因此统计步数即为求解合加速度信号中有多少个正弦波的问题。 文献[4][5]采用峰值检测法来计步，即首先将加速度传感器ADXL345采集到的信号进行去噪、平滑滤波等预处理，然后检测正弦波是否达到波峰，如果达到波峰则说明完成一个迈步周期，则步数加1，如果波形没达到波峰，则继续检测。但是这种单纯靠峰值来检测的方法容易造成误判，当运动过程中产生一些不是步伐的振动时，波形也会出现一些小的波峰，这时如果因为检测到波峰就将步数加1，则会造成误判，使得计步器准确率不高。为了克服这个缺点，可以用时间阈值进一步检测来提高准确率。 研究表明，一般正常走路时，每秒钟最快不超过5步，最慢不超过半步，即采集到的信号中频率为0.5～5Hz的信号为有用信号[6]，其他频率的信号可视为无效信号，应该剔除。因此利用峰值检测法如果检测到正弦波达到了峰值，然后再检测上一峰值与此峰值的时间间隔，如果时间间隔在0.2s～2s之间则可将当前峰值视为有效信号，当前步数加1，反之，当前峰值则为无效信号，作为噪声剔除掉。计步检测过程的流程图如图2所示： 3 实验 由不同的人群对计步器进行多次实验，每次实际步行100步，实验结果如表2所示。通过对结果分析可以看出，本文所提出的基于加速度传感器的计步器精确度较高，准确率可达到97%以上，能实现较精确的计步。 4 结语 本文提出的基于加速度传感器的计步器硬件电路设计较简单。软件部分针对峰值检测法的缺点，利用时间阈值进一步判断峰值的有效性，剔除了无效信号，大大提高了计步的准确率，实现了较精确的步数统计，实验表明，该计步器的计步准确率达到了97%以上。该计步器体积小，功耗小，成本低，计步效果良好，具有比较广阔的工程应用前景。 参考文献： [1]张婷.基于单片机的三轴加速度计步器设计[J].山西电子技术，2016（06）：32-34. [2]梁久祯，朱向军，陈璟.基于手机加速度传感器的高精低采样计步算法设计[J].西北大学学报，2015，45（05）：738-744. [3]张海峰，卫震.基于手机加速度传感器的低频计步算法研究[J].杭州电子科技大学学报，2017，37（03）：11-14. [4]钟晨.基于单片机技术的可穿戴智能手环设计[J].微处理机，2017，3（06）：75-78. [5]黄豪杰.基于六轴加速度传感器的计步算法研究[J].数字技术与应用，2017（09）：128-130. [6]韩文正，冯迪，李鹏等.基于加速度传感器LIS3DH的计步器设计[J].传感器与微系统，2012，33（11）：97-99. 作者简介：李雪梅（1983-），女，河北景县人，硕士研究生，讲师，研究方向：信号与信息处理。 |
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