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導讀： 有別于傳統的計步器，腰帶型計步器嵌入腰帶內部，能夠縮小穿戴設備的體積和免去可穿戴設備的“二次穿戴”問題，并且依靠精度高、功耗低的ADLX345 傳感器實現準確計步，實驗表明：腰帶型計步器具有體積小，結構簡單，穩定性高，能夠滿足計步要求。
摘要：隨著互聯網時代的到來，越來越多的智能化設備幫助人們生活質量，計步器作為一款可穿戴跟蹤設備，可以記錄行走步，提高運動樂趣。有別于傳統的計步器，腰帶型計步器嵌入腰帶內部，能夠縮小穿戴設備的體積和免去可穿戴設備的“二次穿戴”問題，并且依靠精度高、功耗低的ADLX345 傳感器實現準確計步，實驗表明：腰帶型計步器具有體積小，結構簡單，穩定性高，能夠滿足計步要求。
0 引言
當今社會，隨著經濟的發展，人民的生活水平越來越高，生活節奏越來越快，伴隨而來的是人們的身體素質普遍下降，體重超標、亞健康等問題普遍存在。人們也越來越關注自己的身體健康問題，而鍛煉身體是使自己保持健康的最有效方法。計步器作為一款可穿戴健康跟蹤設備，可以記錄人的行走步數，反饋給用戶準確的運動數據，幫助佩戴者量化鍛煉強度、制定合理的健身方案，提醒佩戴者適當調節運動量，激勵佩戴者堅持鍛煉身體。
目前計步器有機械式和電子式兩種。機械式計步器依靠內部簧片的振動產生電子脈沖, 進而達到計步的功能。其準確性和靈敏度較低。電子式的計步器通過測量人體行走時加速度的變化，來達到計步的功能。電子式計步器有較好的準確性和靈敏度。電子計步器有的要求確定的佩戴部位，比如腰部、手腕等；有的對佩戴部位沒有要求，只要放在身邊的口袋里、手提包中就可以計步。總的來說，佩戴手腕的計步器和對佩戴部位無要求的計步器實現精確計步的難度較大，開發成本也較高。佩戴在腰部的計步器更加容易實現精確計步功能，其成本也較低。它們都需要進行“二次穿戴”。
1 硬件設計
1.1 ADXL345 傳感器
計步器由ADXL345 加速度傳感器、STC90C51 單片機、LCD1602 顯示器，歸零按鍵、等幾個部分組成。由電池進行供電。ADXL345 是一款小而薄的超低功耗3 軸加速度計，測量范圍達± 16g。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。其基本工作流程為：首先由三軸敏感單元敏感3 個方向加速度，然后通過電子感應器件將感應到物理量模擬化，再通過 A/D 采樣轉換成數字信號，經過數字濾波后送往控制與中斷邏輯，在命令字的控制下通過串行 I/O 口與主設備交互。
1.2 IIC 總線通信
ADXL345 有兩種與微處理器（單片機）通信的方式：SPI 和IIC。我們采用的通信方式是IIC 總線通訊方式。IIC 總線由數據線SDA 和是鐘線SCL 構成，可發送和接受數據。在CPU 與被控IC 之間、IC 和IC 之間進行雙向傳送，最高傳送速率100Kbps。IIC 總線的主要優點有：1、占用的空間非常小，減小了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。2、支持多主控，其中任何能夠進行發送和接受的設備都可以成為主設備。如果 CS 片選引腳接 VDD I/O 高電平的話，IIC 接口模式啟用。IIC 一個可變地址 0x53，可能會被引腳SDO 選中，此時寫操作為 0xA6，讀操作為 0xA7。其工作工程為：首先啟動IIC 總線，為數據傳輸做好準備，然后向從設備（ADXL345）發送存儲單元地址，再連續讀取6 個地址數據存入接受數據緩存區，接收完以后從設備（ADXL345）向主設備（微處理器）發送應答信號，最后在發送停止信號，標志一次數據的傳輸終止，IIC 總線處于空閑狀態。
1.3 STC90C51 單片機
STC90C51 單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的增強型8051 單片機，其在一塊硅片上集成了中央處理器（CPU），程序存儲器（Flash）和數據儲存器（SRAM）、定時器/計數器、UART 串口、I/O 接口、EEPROM、看門狗等模塊。具有一臺計算機屬性。STC90C51 工作電壓為3.3V—5.5V，共有40 個管腳，通用I/O 口為35 個。
STC90C51 一端連接著 ADXL345，對ADXL345 傳輸來的數據進行處理和判斷，另一端連接中LCD1602 顯示器，將顯示命令和顯示的數據傳輸給LCD1602。同時，還有歸零按鍵、斷電按鈕等。
1.4 LCD1602 顯示器
本次設計采用的LCD1602 字符型液晶顯示屏作為系統的顯示界面。LCD1602 顯示器是一種專門用來顯示字母、數字、符號的點陣型液晶模塊。它是由若干個5 ╳ 7 或者5 ╳ 11 的點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。其中，引腳編號1、2 為電源端；引腳編號3 為液晶顯示偏壓信號，用于調節顯示對比度；編號4 為數據/ 命令選擇端，與單片機P1.0 口相連；編號5 為讀/ 寫選擇端，與單片機P1.1 口相連；編號6 為使能端，與單片機P2.5 口相連；編號7 到編號14 為8 個數據I/O 口；引腳編號15、16 為背光源電源端。首先，對LCD1602 進行初始化，設置光標、指針等數據，然后寫入命令，設置符號的顯示位置，最后，連續將字符寫入顯示器，LCD1602 顯示器會把字符顯示出來。
2 人體行走模型
人在行走過程中有很多參數發生變化，比如：距離、能量、加速度等。而通過加速度變化來描述人行走特征是一種簡便、可行的方法。從腳的加速度來檢測步數是最準確的, 但是考慮到攜帶的方便, 我們選擇利用腰部的運動來檢測步數。腰部的運動加速度可以分解成垂直軸，前進軸已經側向軸三個方向。如圖1 所示。ADXL345 是一個三軸(X 軸、Y 軸和 Z 軸) 模擬輸出的加速度傳感器, 正好可以作為垂直、側向和前進三個方向的傳感器。如圖2 所示。從圖中可以看到垂直軸（X 軸）和前進軸（Z 軸）方向上有著較為明顯的周期特性。垂直軸加速度值最小處對應的是腳離開地面( 一步的開始或結束) ， 最大值對應腳抬到最高點。前進軸加速度最小處對應的是腳離開地面( 一步的開始或結束)， 最大值對應腳抬到最高點。
一種新型腰帶計步器的設計研究
圖 1 人體行走模型
一種新型腰帶計步器的設計研究
圖2 垂直軸、側向軸、前進軸加速度變化（放大1000 倍）
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發表于 2016-8-30 20:00:50
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