吳晨杰，徐 云，瞿耀輝

(浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對自身的健康狀況格外關注[1-3]。跑步作為一種較為普遍的運動方式，可以實現(xiàn)鍛煉身體、增強人體免疫力的目的，因此，受到廣大人民群眾的喜愛。計步器作為科技發(fā)展的產物，逐漸得到廣大跑步運動者的喜愛。目前，計步器的應用越來越廣泛[4-6]，如奶牛養(yǎng)殖用計步器、醫(yī)療保健計步器等。憑借體積小、壽命長、精度高的優(yōu)勢，計步器正朝著功能多元化的方向發(fā)展[7]，使得計步器的娛樂性更強，但價格逐漸上升。

近幾年，市場上的三軸加速度傳感器以其集成度高、精度高、功耗低、體積小以及成本低的優(yōu)勢[8-9]，廣泛應用于運動物體姿態(tài)的檢測[10-12]。本文采用ADI公司生產的ADXL345三軸加速度計，設計了一款普通行人用計步器。采用基于閾值辨識的辦法，實現(xiàn)了行人運動中步數的測量。

1 計步器的硬件設計

本文設計的基于閾值辨識方法的計步器主要由ADXL345三軸加速度計、單片機、LCD顯示模和供電模塊組成。

系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

ADXL345三軸加速度計用于感應人體運動時三個軸向的加速度。單片機發(fā)送相關指令實現(xiàn)與ADXL345三軸加速度計進行通信，進行人體運動時三個軸向加速度數據的采集。通過閾值判斷法則，進行計步，并將計得的步數顯示于LCD顯示模塊。

①ADXL345模塊。

ADXL345是美國ADI公司推出的一款低成本三軸加速度傳感器。分辨率高達13位，可選擇的測量量程有±2 g、±4 g、±8 g或±16 g，具備SPI、I2C數據通信接口。傳感器內部可實現(xiàn)信號處理、低通濾波等功能，具備體積小、成本低、功耗低的優(yōu)點。本次設計采用I2C通信協(xié)議，實現(xiàn)ADXL345與單片機的通信。單片機與ADXL345的通信連接如圖2所示。

圖2 單片機與ADXL345的通信連接圖

②LCD顯示模塊。

本設計采用的顯示模塊為LCD1602液晶顯示屏，通過單片機進行指令控制，實現(xiàn)計步所得步數的顯示。LCD1602液晶顯示屏與單片機的電氣連接如圖3所示。

圖3 單片機與LCD1602的電氣連接圖

③單片機模塊。

單片機外圍電路如圖4所示。

圖4 單片機外圍電路

本次設計選用了STC89C52單片機。該芯片具有功耗低、分辨率高、處理能力強的優(yōu)勢。通過單片機控制ADXL345，進行數據采集、對加速度數據分析處理、辨識運動步數以及在LCD1602液晶顯示屏上進行步數顯示。STC89C52的外圍電路包括電源電路、復位電路、晶振電路和開關按鍵電路。

2 計步器軟件設計

以腰部為中心，建立如圖5所示的載體坐標系，采集三個方向的加速度。

圖5 載體坐標系示意圖

①閾值辨別設計。

一般而言，人體行走時因運動狀態(tài)的不同，在不同部位產生的加速度也不一樣。圖6給出了普通行人行走時腰部加速度的變化曲線。

圖6 腰部加速度變化曲線

從圖6可以看出，普通行人行走時腰部三個方向的加速度均有變化。其中，縱向加速度變化幅值較大且呈規(guī)律性。若以縱向加速度為特征量進行閾值辨別，即可實現(xiàn)計步的功能。本文設計的基于閾值辨別的計步算法以z軸加速度作為特征量，通過多次試驗進行閾值提取。計步時，將該閾值作為比較量進行行走步數的測量。

②系統(tǒng)軟件設計。

基于閾值辨別技術的計步器系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

圖7 計步器系統(tǒng)的軟件流程圖

計步器系統(tǒng)開機時先進行系統(tǒng)初始化，包括ADXL345初始化、LCD液晶顯示屏初始化以及單片機系統(tǒng)初始化。在一個采樣周期內，單片機控制并采集傳感器測量獲得的行人行走時三個軸向的加速度值；然后，單片機對采集到的加速度值進行閾值判定，從而辨識出實際行走的步數；最后，單片機將行走步數的判定結果發(fā)送至LCD液晶顯示屏進行步數顯示。

3 試驗測試

根據上述硬件電路，設計并制作了普通行人用計步器原理樣機。樣機主要由電源模塊、ADXL345以及LCD液晶顯示模塊構成。試驗測試時，行人將計步器原理樣機附著于腰部。

①閾值測試。

多名測試者佩戴設計的計步器原理樣機進行測試，獲得的閾值如表1所示。

表1 閾值測試結果

根據表1測試的閾值結果，取閾值的均值作為閾值判定的參考量，并將其灌入原理樣機中進行計步試驗測試。計步器試驗測試結果如表2所示。

表2 計步器試驗測試統(tǒng)計結果

表2給出了不同測試者佩戴設計的計步器原理樣機進行計步試驗測試的統(tǒng)計結果。整體上而言，本文設計的計步器原理樣機實現(xiàn)了普通行人行走時計步的功能。但是，對不同的測試者而言，其測試結果與實際步數存在測量誤差。經多次試驗發(fā)現(xiàn)，該誤差主要源于閾值的設定。對于不同測試者而言，其步長、身高、行走速度存在差異，若使用固定的閾值進行步數辨別必然存在測量誤差。為提高計步精度，今后將開展自適應閾值辨別計步的研究。

4 結束語

本文基于閾值辨別技術設計了一款普通行人用計步器原理樣機。原理樣機主要由三軸加速度計ADXL345模塊、LCD液晶顯示模塊以及單片機模塊組成。單片機控制并采集ADXL345輸出的三個軸向加速度信息，通過閾值辨別技術實現(xiàn)行人行走計步的功能。試驗測試首先針對行人行走時的閾值加速度進行測試，并在此基礎上進行了行走計步的試驗。測試結果表明，設計的基于閾值辨別技術的原理樣機能夠實現(xiàn)行人行走時的計步功能，但存在計步誤差。分析指出，該誤差源于行走計步時閾值的設定誤差。為提高基于閾值辨別技術的計步器原理樣機的計步精度，今后將開展自適應閾值辨別技術的計步算法研究。