基于STM32的电子计步器的设计与实现

基于STM32的电子计步器的设计与实现

随着生活节奏的不断加快,留给人们的锻炼时间越来越少,走路和跑步成为人们日常生活中为数不多的运动之一。计步器携带方便，能很好地完成量化运动量的目标。因此，最近几年各种计步器以及计步软件大量出现。鉴于人们对于步数检测准确度的要求以及使用便利的需求，十分有必要设计一套计步算法并应用于相关的计步器。

本设计的研究目的是设计出一款高精度、便携的计步器。本设计的主要难点在于数据滤波算法以及计步检测算法的研究。首先，本设计分析了几种数据滤波的方法，选择了比较适合的卡尔曼滤波算法。接着，分析了现有的几种计步检测算法，包括动态阈值算法和峰值检测算法。发现这些算法都不是很准确，所以本文设计了一种新的计步检测算法，提高了计步检测的精度，为其他研究者在步数检测方面提供了一种较好的解决方案。最后，本设计还采用了TFT彩屏的人机交互界面，可以实时显示卡路里、时间以及步数。

通过实际调试过程中的不断改进，实现了计步器的准确检测。

关键词：计步器MEMS传感器滤波步数检测

目录

1 绪论 (1)

1.1 研究背景和意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (1)

1.3 章节安排 (2)

2 系统总体设计方案 (3)

2.1 设计目标 (3)

2.2 系统架构分析 (3)

2.3 系统方案分析 (3)

2.3.1 佩戴位置选择 (3)

2.3.2 MEMS惯性传感器的数据读取 (4)

2.3.3 数据融合与滤波 (5)

2.3.4 计步算法 (8)

3 系统硬件设计 (9)

3.1 系统硬件电路总体设计 (9)

3.2 单片机最小系统设计 (9)

3.3 MEMS传感器 (10)

3.4其他外围电路 (11)

3.4.1 电源转换 (11)

3.4.2 TFT彩屏电路 (11)

3.4.3 无线串口通信 (12)

4 系统软件设计 (13)

4.1 系统软件总体设计 (13)

4.2中断设计 (14)

4.2.1 定时器中断 (14)

4.2.2 串口中断 (15)

4.2.3 中断优先级判断 (16)

4.3 MPU6050原始数据采集 (16)

4.3.1 陀螺仪和加速度计的配置工作 (16)

4.3.2 串行口的配置工作 (17)

4.3.3 IIC读取姿态传感器数据 (17)

4.4 数据处理 (18)

4.4.1 数据类型统一 (18)

4.4.2 卡尔曼滤波 (19)

4.5 计步算法 (21)

4.6 无线串口通信 (22)

5 系统调试 (23)

5.1 系统调试上位机 (23)

5.2 标定MPU6050零点 (23)

5.3 卡尔曼滤波参数调试 (23)

5.4 计步测试 (24)

6 总结与展望 (25)

6.1 总结 (25)

6.2 展望 (25)

6.3 课题研究对环境以及社会的影响 (26)

附录 (27)

附录一系统硬件原理图和PCB (27)

附录二系统实物图 (28)

附录三系统核心 (28)

1 绪论

1.1 研究背景和意义

随着社会不断进步以及生活水平不断提高，人们逐渐开始重视自身的健康。据统计，2015年中国的60岁及以上人口已经占总人口的16.25%，达到2.32亿。预计2020年老年人口将达到2.38亿，老龄化程度将达到17.27%，其中80岁以上老年人口将超过三千万人；除了人口老龄化之外，肥胖问题也日益成为人们所关心的热点问题。根据世界卫计委和国家统计局的调查数据，中国人的肥胖人口正在逐年上升。从1990年到2016年，肥胖率从14%上升到31%，超重率从4%上升到15%。

这些老龄人口与肥胖人口十分需要一款便携式的运动检测装备，通过监控日常的运动量来确保合理的运动量。实验表明，步行和跑步作为一种方便又十分有效的运动，既不需要占用场地，也不容易受到伤害，受到许多人的欢迎。这使得应用于计步的智能穿戴设备迅速发展。

意大利的达芬奇制造了世界上最早的计步器，但现存的最早的计步器是1775年日本制造的。这种机械式计步器主要是利用摆钟原理进行工作，摆动计步器时，内部的金属球会来回晃动，机械开关开始检测步伐，计步器内部的计数器数值增加。但这种机械式的计步器由于精确度比较差，早已不被人所使用，取代它的是电子式计步器。

1.2 国内外研究现状

国内市场上流行的大多是3D电子式计步器，通过加速度计来测量加速度变化，根据软件算法判断出步数。比起机械式计步器，电子式计步器的精确度有很大提升。现在市场上比较知名的国产品牌主要有乐心、小米、时刻美、爱希亚等。国内的小米手环1代采用40mAh的锂电池进行供电，实现了降低功耗的目的，续航时间大大延长；国产的clingband 手环采用光学心率传感器，能够对人体进行心率耗时分析。另外，clingband手环还可以通过高精度的温度传感器来实现对体表温度变化的监测；

国外计步器发展比较早，计步器除了计步的基础功能之外，还具备许多其他的功能。东京大学设计出一款鞋内嵌入式计步器，通过压电材料将运动所产生的机械能转化为电能，直接给计步器供电；韩国的SAMSUNG开发出一款拥有操作系统和预装软件的电子计步器，可以播放音乐、视频聊天和接听电话。

从国内外现状可以看出，计步器设计不仅需要考虑续航能力、舒适度、外观等方面，还需要考虑如何获取更多的健康数据以及如何保证健康数据的准确性。

1.3 章节安排

第一章：绪论，主要介绍计步器发展的研究背景与意义，并详细叙述下国内外技术上的创新。

第二章：系统总体方案设计，简单介绍下计步器的设计目标，根据设计目标对系统的整体框架进行设计，对具体的系统方案进行选择。

第三章：系统硬件电路设计，主要介绍了基于STM32的单片机最小系统、电源转换、MEMS惯性传感器、TFT彩屏显示、无线通信等硬件电路的设计。

第四章：系统软件设计，首先介绍整个计步器的软件设计思路，接着介绍MEMS惯性传感器的数据获取、卡尔曼滤波、步数检测等具体部分的软件设计思路。

第五章：系统调试，首先调试惯性传感器的参数，最后测试计步器的准确度性能。

第六章：总结与展望，总结了计步器设计所完成的设计目标，列举了计步器设计过程中所遇到的特殊问题。在计步器实现的功能上进行了展望，举出未来可以添加的功能。