智能計步器解決方案

　　伴隨著人們生活質量和科技水平的提高，輔助鍛煉設備不斷出現，智能計步器就是一種日常鍛煉監測器，通過記錄人們行走的步數，監測自己的健身強度，方便實用。加速度傳感器可用于間接步數檢測。由于近年來MEMS加速度傳感器發展很快，并具有價格低、體積小、功耗低、精度高的特點，利用其來設計電子計步器，已經多有報道，市場上也有產品出售。目前存在的主要問題是計步精度，盡管在加速度的檢測上傳感器的精度高，但是計步卻受到諸多干擾影響，精度難以保證。
 

 

　　智能計步器解決方案的功能

　　1、步數計算

　　計步器顧名思義，自然是計步了，衡量一個計步器的好壞也是看它的計步是否準確，但每個人的步伐大小不一樣，如果能根據使用者自身情況制定，那就是它的獨到之處了，計步器最高數字可達99999。

　　2、卡路里計算

　　計算步伐消耗的同時也計算了所燃燒的卡路里，可以自行設置體重的范圍區間，一般常見區間為20-160公斤，然后根據體重數換算出消耗的卡路里。，而卡路里的指數最高也顯示到9999.99卡。

　　3、時間功能

　　可以隨時了解當前的時間，便于調整自己的生活，還可以設定倒計時，設定自己運動量以及運動時間，合理安排自己的運動計劃，同時也具有秒表功能，如此看，計步器像不像自己的私人運動管家呢?

　　4、距離統計

　　也可以統計距離,但連續9步才能統計距離，一般可顯示999.99公里，一般也夠統計了，可以累計統計。一般都是與步數統計所對應，通過總距離數，除以您的步伐，您也可以算出自己平均每步所走的距離，很是實用。

　　5、心率顯示

　　高端計步器都有心率顯示，可以實時監測心率，隨時監督自己的健康狀況。而且無需胸帶，也沒有束縛，非常方便、舒適。

　　智能計步器系統方案設計

　　基于加速度信號檢測的計步器原理

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

　　行走時，腳、腿、腰部，手臂都在運動，它們的運動都會產生相應的加速度，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，當腳要達到最高位置時，垂直加速度達到最大，然后腳向下運動，垂直加速度開始減小，直至腳著地，加速度減少至最小值，接著下一次邁步發生。

　　人體腰部的垂直加速度信號所示，每邁一步對應一個峰值，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。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現計步器。

　　硬件系統設計

　　MEMS傳感器MMA8452Q負責檢測人體加速度信號并轉換為數字信號，通過I2C接口傳遞給控制器;經控制器分析處理，確定為有效的計步信息后，步數加1并送給LCD顯示器;按鍵則將一些設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、電容式微機械加速度傳感器，其主要特性如下：

　　可以感受X，Y，Z 3個自由度的加速度信號，感知人體運動信息。具有±2 g/±4g/±8 g的可選量程。傳感器的靈敏度在±2 g量程時為1 024個數字/g，靈敏度精度為±2.5個百分點。

　　采集的加速度數據可以通過傳感器內部的高通濾波器實時輸出，濾波器的截止頻率可以軟件設置。也可以不經過濾波器直接數據輸出。輸出信號已被轉換為12位(或8位)數字量信號，經I2C接口輸出，輸出數據速率在1.25 Hz到800Hz之間可調。

　　傳感器內嵌的DSP處理功能使芯片具有中斷能力，當設定的“自由下落和運動檢測”“瞬態變化檢測”“方向檢測”“輕敲檢測”“數據準備好”“自動休眠”等6種事件中任意一種發生時，配置的中斷引腳(INT1或INT2)就可以產生硬件喚醒的中斷申請信號，通知控制器處理預定的事件。這樣既減輕了控制器不斷查詢處理數據的負擔，也可以節省整體功耗，使其大部分時間處于靜止狀態保持低功耗模式，同時完成監測任務。

　　在滿足計步器功能的前提下，本設計選擇價格低廉的AT89S2051單片機作為控制器，主要使用其外部事件中斷、定時器中斷、并行口等硬件資源。顯示屏選擇了8位LCD顯示器，用于計步信息的實時顯示，與主機采用串行方式傳遞數據。按鍵主要用于自標定設置。

　　抗干擾設計

　　人在行走時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，原地晃動等都會產生于擾噪聲，直接計步容易出錯。需對信號進行處理，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

　　高通濾波器的設置

　　數字式傳感器，對檢測信號的模擬濾波在芯片內部進行，然后轉換為數字量后輸出。對于“敲擊”“輕彈”“搖動”“計步”等信號的檢測過程中，加速度傳感器只需要分析動態加速度信號，即加速度的變化情況，無需考慮靜態情況，因此可以對數據做高通濾波。

　　在傳感器內部有一個內嵌的高通濾波器，可以通過軟件設定低頻截止頻率。根據選擇的數據輸出速率和數據過采樣模式，低頻截止頻率可以在0.063～16 Hz之間選擇。數據通過該濾波器輸出，從而消除信號中直流偏置及低頻信號的影響。我們設計的計步器截止頻率設置在0.5 Hz。

　　中斷閾值的使用

　　傳感器有兩個外部引腳INT1和INT2。每個引腳通過軟件設置可以和6個事件(“自由下落和運動檢測”“瞬態變化檢測”“方向檢測” “輕敲檢測”“數據準備好”“自動休眠”)綁定在一起。當傳感器檢測到任一事件發生時，即可發出中斷申請信號，可以避免主控制器頻繁讀取傳感器的數據，減少數據分析及處理工作。

　　自標定方法

　　計步器配置了兩個按鍵：“直接計步按鍵”、“自標定按鍵”。如果計步器工作后直接按下“直接計步按鍵”，計步器按1～5Hz的行走頻率設置時間窗口，并按這個參數進行數據分析。如果計步器工作后先按下“自標定按鍵”，則進入自標定過程。連續行走10步，每走1步要同時按下“自標定按鍵”一次。計步器會記錄10次的時間間隔ti(i=0～9)，求出平均值Tp，及偏差vi=|ti-Tp|(i=0～9).南此確定個人的行走頻率范圍，并利用時間窗口的限制進行數據分析，可以獲取較高的準確度。