基于单片机的简易计步器设计

摘 要：为了满足人们的健身需求，设计一种以单片机为核心的简易计步器，利用三轴加速度传感器采集人体运动中的加速度信号，利用卡尔曼滤波对信号进行处理，并对滤波后的加速度信号进行整合和分析，从而对人体运动的“一步”进行判断，从而实现计步功能。系统配有日历时钟电路，可提供时间信息。根据步数可计算距离、速度和卡洛里等相关参数，通过显示器和语音进行输出，其系统结构简单，价格低廉，满足计步需求。

关键词：计步器；加速度传感器；AT89S52；卡尔曼滤波

引言

伴随经济的快速发展，人们生活水平不断提高，导致肥胖的人越来越多，也带来了许多健康问题。而快节奏的生活使人们没有那么多的时间去运动，因此需要一种简易的锻炼手段。计步器是一种日常锻炼的辅助设备，简便易用，在工作、生活中可随时监测人们的运动，受到人们的普遍欢迎。目前市场上的计步器分为机械式和电子式两种，机械式不够精准，而电子式往往价格昂贵。设计一种简易的计步器，实现计步功能，价格低廉，可计算跑步时或走步时的步数、距离、速度、运动的卡洛里参数。具有存储功能，人们可对自己的运动状态进行长期监测。

1 设计方案

整个系统由控制器、加速度传感器、键盘、显示器、外部存储芯片和时钟芯片构成，通过加速度传感器对人体运动中的加速度信号进行采集，经过单片机的分析处理，整理出运动步数，并计算出距离、速度、卡洛里等相关信息。外接时钟芯片和存储芯片，提供日期和时间信号，并对数据进行存储。并配有键盘显示电路和语音提示电路，系统框图如图1所示。

2 硬件设计

简易计步器硬件系统采用Atmel公司的AT89S52作为控制器，整个硬件系统主要可分为三大部分：采集电路、人机交互电路和其他电路。

2.1 采集电路设计

系统主要采集信号是人体运动过程当中的加速度信号，采用传感器MPU6050，它集成了3轴MEMS 陀螺仪和3轴MEMS的运动处理加速度传感器。具有I2C接口，加速器感测范围为±2g、±4g±8g与±16g，具有最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI接口。模块内部自带电压稳定电路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系统，使与控制器连接方便。图2位MPU6050的三维方向示意图，MPU6050与AT89S52接口电路采用I2C接口方式。

2.2 人机交互电路设计

人机交互电路包括键盘、显示电路和语音电路，主要提供计步器与外部的信息交换。键盘采用独立式按键，电路简单。显示电路采用液晶传感器，LCD1602显示模块是字符型，能够显示字母和数字，以及符号等点阵。LCD1602的接口方式有并行和串行两种方式，设计采用并行方式。系统除了提供液晶显示以外，还提供语音输出功能，方便人们在达到运动中得到及时的提示。语音芯片采用ISD1820，ISD1820供电电压为直流3-5V，可实现10秒钟的语音录放，并具有循环播放，点动播放，单边播放功能，并可用单片机控制。首先搭建语音按键控制电路，利用按键和麦克对语音进行录制，然后将按键控制电路改为单片机控制的语音电路。

2.3 其他电路设计

其他电路包括时钟电路和外部存储电路。为了准确的提供日期和时间，系统外接时钟电路，采用DS1302，DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V，采用三线接口与CPU进行同步通信。

系统每次对人体运动中的加速度信号进行采集和分析，得到运动的步数，并通过软件计算相关数据，如距离、速度、运动卡路里，以及本次运动的日期和时间等数据，这些数据将被存储在外部数据存储器当中，可通过按键对以往数据进行调用和显示。外部存储芯片采用AT24C02，这是一个2K串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节，I2C接口并具有一个专门的写保护功能。

3 软件设计

3.1 采样频率设定

根据资料显示，人行走的频率一般在110步/min（1.8Hz）[1]，跑步时的频率不会超过5Hz，因此系统选择100Hz的采样率，可以比较准确地反映加速度信号的变化。

佩戴加速度传感器，使传感器的X轴指向正前方，Y轴指向竖直向上，Z轴指向右方，采集加速度信号如图3所示。从波形图中可以明显看出人在走步时的脉动。

3.2 数据分析

不同的人行走会有不同加速度大小的输出，传统方法是采用一轴最大加速度输出为有效的输出[2]。从采集数据波形上直接分析步数并不是很明显，因此首先采用卡尔曼滤波对数据进行处理，然后对滤波后的三轴加速度进行合成。

a=■ （1）

合成后，合成加速度a的波形图如图4所示，与图3相比较，波形脉动情况更加清晰。系统的计步功能启动后，有一个初始过程，在此过程中，记录运动者的合成加速度信号的峰值并存储，然后开始利用略低于峰值的值作为阈值，对“一步”进行判断，每一步都有从下往上和从上往下经过阈值的过程，判断出一次此过程，计一步，从而实现计步功能。时钟芯片提供时间，通过相应运算，可计算得到距离、速度、卡路里等参数。

3.3 软件流程

根据设计思路，绘制软件流程图如图5所示，编写软件程序，实现系统功能。

4 结束语

简易计步器以AT89S52单片机为核心，对人体运动中的加速度信号进行采集和定位，经卡尔曼滤波处理后，对加速度信号进行合成，通过对合成信号的分析，对“一步”进行判断，从而实现计步功能。并可进一步计算距离、速度、卡洛里等参数，通过液晶显示器和语音电路进行信息提示，并可将参数信息进行存储，同时系统配有按键功能，方便人们对存储数据进行提取，方便对自身的运动情况进行长期观测。简易计步器方便人们在日常工作和生活中进行锻炼，其体积小，价格低廉，具有实用性。

参考文献

[1]尚亮，周先国，韩新红.基于Labview 的加速度传感器运动信息采集平台设计[J].计算机测量与控制，2009（9）：1790-1792.

[2]张军建.基于三轴加速度传感器的突变检测研究[D].山东：山东师范大学，2014.

[3]张团善，何颖.卡尔曼滤波在两轮自平衡代步车姿态检测中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（5）：33-35.

[4]InvenSense Inc. MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.2.pdf. ， 2011：7.