基于加速度传感器的计步器设计与实现

基于加速度传感器的计步器设计与实现

随着科学技术的不断发展，人们的生活水平越来越高，但在快节奏的生活方式下，尤其是上班一族久坐或久站，长时间保持一个动作，对身体造成了很大负担，缺乏运动观念。锻炼身体的方式多种多样，步行就是有效，轻松，花费时间短的健身方式之一。坚持这种有氧运动有助于人们改善心肺功能，促进血液循坏，长久下去，能使人们的精神面貌焕然一新。通过适当的走路可以快速调节心态，稳定情绪。

计步器的出现有效监测了人们每天的身情况，使人们实时了解每天行走的步数，是一种逐渐受欢迎的健身监测器，可以鼓励人们挑战自我，强身健体，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。如今采用了电子器件时间计步的功能，本文将介绍采用单片机为控制核心，通过ADXL345三轴加速度传感器采集走路信息，通过算法计算出步数，并通过程序算法计算出速度、里程、卡路里消耗等信息。本装置小巧，功能齐全，整体界面简洁美观，具有一定的市场价值。

关键词：单片机；计步器；ADXL345三轴加速度传感器

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

随着社会的发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们也越来越关注自己的健康。计步器作为一种测量仪器，可以计算行走的步数和消耗的能量，所以人们可以定量的制定运动方案来健身，并根据运行情况来分析人体的健康状况，因而越发流行。手持式的电子计步器是适应市场需求的设计，使用起来简单方便。

计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。电子计步器主要组成部分是振动传感器和电子计数器。步行的时候人的重心会上下移动。以腰部的上下位移最为明显，所以记步器挂在腰带上最为适宜。所谓的振动传感器其实就是一个平衡锤在上下振动时平衡被破坏使一个触点能出现通/断动作，由电子计数器完成了主要的记录与显示功能，其他的属于热量消耗，路程换算均由电路完成。计步器中一般采用一种加速度计来感受外界的震动。常用的加速度计原理如下：在一段塑料管中密封着一小块磁铁，管外缠绕着线圈，当塑料管运动时，磁铁由于惯性在管中反向运动，切割线圈，由于电磁感应，线圈中产生电流，人体运动时，上下起伏的加速度近似为正弦过程，线圈的输出电流也是正弦波，测量正弦波的频率就可以得出运动的步数，再计算的出速度，距离，和消耗卡路里。

1.2 国内外发展现状

计步器的核心是加速度计，20世纪40年代，德国人研制了第一个摆式陀螺加速度计。此后的半个世纪以来，由于航空航天以及航海领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度有了很大的完善和提高。

加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。这时候的加速度计由于技术不成熟，成本高，其他领域没有得到广泛的应用。

这种状况直到微机械加速度计的出现才发生了改变，随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点:体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5-

5 g水平上，

10

而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。近年来国内虽然有多个单位对MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到1-

10g的水平。

我国从20世纪80年代末开始了MEMS技术的研究，包括硅微型压力传感器、微型电机和微型泵。10多年来研究队伍逐步扩大，本世纪初已形成40多个单位的50多个研究小组，在MEMS传感器方面开展了大量的研究工作，取得了长足的进步。MEMS研究方向包括：微型惯性器件和惯性测量组合:机械量微型传感器和制动器;微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人：硅和非硅制造工艺。国内公开发表文献表明，我国研制的振动轮式机械陀螺零偏稳定性达到70°/h, 随机游走噪声达到30°/h。但由于基础研究的薄弱,技术人员的缺乏，技术和资金投入的不足，我国在各个技术方面与国外发达国家相比还有一定的差距，主要体现在批量生产时性能的稳定性和器件的完好率都有待于提高。

基于加速度传感器的计步器最大的核心问题是它的精确度问题，如何正确统计人行走或者跑步的距离，如何准确计算消耗的卡路里。在精确度问题上，日本及一些欧洲国家所生产的的计步器较为精确，我国方面多用于基础民用阶段。但由于机械生产的精度不高，电路集成性不强，导致计步器的便携性弱于国外产品。

精确性的决定条件就是传感器的精确性，加速度传感器的种类很多，发展也很快，目前应用比较比较成熟的有电容式加速度传感器和压阻式加速度传感器。压阻式加速度传感器是利用硅材料电阻率的变化。压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低。电容式加速度传感器是将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量的。其基本特征是工作性能稳定，温度漂移小。然而，电容式加速度传感器在将

被测加速度转换为对应的电容器电容变化量时，由于加速度惯性力引起电容极板位移的敏感度和速度总是慢于和小于悬臂梁等支承梁上应力变化的敏感度和速度，所以声表面波加速度传感器对被测加速度的敏感度和响应速度要高于和快于电容式等其它类型的加速度传感器。近年来，开放新型功能材料、研究新型传感技术，已被发达国家列为现代和未来科学研究的技术开放规划中的战略重点。利用新材料、新原理和新工艺研制出高性能、低成本、智能化、微型化的传感器是研究新型传感器的主要手段和最终目标。

1.3 课题设计的任务和要求

硬件设计：选择单片机型号和加速度传感器模块，设计主要的电路模块。主要电路模块包括：单片机最小系统，加速度传感器模块，测量结果显示模块，按键设置模块，数据存储模块。软件设计：使用Keil uVision4设计系统软件，主要模块有：加速度传感器，测量结果显示，数据存储等。

1.4 课题设计与社会和环境可持续发展的关系

一项科学研究显示，如果人们在锻炼的时候使用计步器，每天会促使我们多走2000多步，与此同时，会促使我们的血压下降更多，体重也会相应减轻。使用计步器能激发参加锻炼的人的动力和热情。越是惯于久坐不爱运动，宅居的人，计步器对他们的帮助就越大。对于中老年人来说，散步是一项随时随地都可进行的活动。选择空气清新，林木幽静的环境，能让我们轻松舒畅，心情愉悦，心旷神怡，周身舒爽。但是步行要达到健身的目的，行走要有一定速度，路程要有一定距离。过于急速或过于缓慢都达不到科学健身的目的。这种情况下，利用计步器测量运动量则是更为可靠的科学方法。科学散步可以使中老年人自我感觉良好，避免心悸气促，全身舒适放松。总之，计步器的使用帮助人们实时监测自己的运动状态，从而激励人们制定相应的计划改善身体状态。人类在生理上的健康体现了可持续发展的理念。同时，现在的计步器功能越来越多样化和集成化，在节约生产资源的同时，也减少了电子垃圾的产生，实现了社会和环境的可持续发展。