计步器的原理.docVIP

随着社会的发展,人们越来越注重自己的健康,跑步成为一种方便而又有效的锻炼方式。但是如何知道自己跑了多少步,多远的路程?计步器可以帮助人们实时掌握锻炼情况。它的主要功能是检测步数,通过步数和步幅可计算行走的路程。步幅信息可通过行走固定的距离如20m来计算或是直接输入,高级的计步器还可以计算人体消耗的热量。但这些计算的主要依据是步数的检测。下面介绍一种加速度传感器ADXL202在步数检测中的应用。 计步器原理 要实现检测步数首先要对人走路的姿态有一定了解。行走时,脚、腿、腰部,手臂都在运动,它们的运动都会产生相应的加速度,并且会在某点有一个峰值。从脚的加速度来检测步数是最准确的,但是考虑到携带的方便,我们选择利用腰部的运动来检测步数。如图1所示,行走时腰部有上下的垂直运动,每步开始时会有一个比较大的加速度,利用对加速度的峰值检测可以得到行走的步数。 图2是将计步器佩戴在腰间采集到的垂直加速度曲线图,从图上可以清楚地看出有四个峰值,代表行走了四步,说明利用腰部的垂直加速度来检测步数是可行的。 根据资料显示,人行走的垂直加速度在±1g之间(1g为9.8m/s即重力加速度),考虑到还有重力加速度的影响,可选择测量范围在±2g之间的加速度传感器ADXL202来实现计步器。ADXL202是美国AD公司的一种低功耗、二维加速度传感器,输出如图3所示占空比(T1/T2)与加速度成一定比例的数字信号,因此信号可以直接用单片机的计数器来测量,无需AD转换电路或是其它特殊电路。 硬件设计 计步器的整机原理框图如图4所示,ADXL202采集加速度信息并将数据送到单片机进行处理;单片机控制整个系统的工作并从数据中检测出步数送到LCD进行显示;外部控制按键进行开关机控制以及功能选择等。 本文不对电源转换、LCD显示等电路做详细介绍,重点介绍ADXL202芯片的电路设计。ADXL202可以输出X、Y两路信号,由于我们只测量垂直方向上的加速度,只用一路信号即可,需要注意的是,设计PCB时要摆放好芯片位置,保证使用时此路与水平面垂直。从图5可以看出ADXL202的电路设计并不复杂,在使用时我们要得到有用的信号需要设定它的采样频率和采样带宽。上述两个量是由电路图中的电阻Rset和电容Cx的取值所决定的。 采样频率过低,不能准确反应数据的变化情况;过高则引入很多无用信息,增加了系统运算量,需要根据实际情况选择合适的采样频率。根据资料显示,人行走的频率一般在110步/分钟(1.8Hz),跑步时的频率不会超过5Hz,选择100Hz的采样频率可以比较准确地反应加速度变化。1/T2即为数据的采样频率,计算方法为T2=RSET(Ω)/125MΩ。RSET的范围可从500kΩ~2MΩ,这里我们选择RSET=1.25MΩ,采样频率为100Hz。 滤波带宽定义为需要检测的最高频率, 由滤波电容Cx设定,带宽的设定会影响噪声的大小和分辨率。从附表中可以看出,带宽越小,噪声就越小,而分辨率会越高,减小滤波带宽对减小噪声和提高分辨率都是有利的。但是,图2的数据曲线中越尖的地方含有的高频分量就越多,滤波带宽减小,采集到的数据曲线就变光滑,峰值相应变小,这对我们进行峰值检测是不利的。因此我们折中取滤波带宽50Hz,根据公式F-3dB=1/(2π(32kΩ×C(x,y))计算,Cx选择0.10μF。 设定了采样频率和滤波带宽,按芯片手册连好电路图,应该得到如图3所示的数据波形,此时T2为10ms。 软件设计 根据得到的X轴数据通,过软件处理可以获得我们需要的加速度信息。 加速度的计算公式如下: 一般情况下0g(即加速度为零)时的占空比为50%,1g时的占空比为12.5%,则A(g)=(T1/T2-0.5)/0.125。 从芯片手册上可以看出0g时的占空比芯片个体差异很大,从25%~75% 都有可能,要准确地计算加速度必须对0g和1g时的占空比进行校准。另外,计算加速度需要进行两次除法运算。以上两个因素使加速度的获取需要经过复杂的计算,考虑到我们的最终目的是检测加速度的峰值个数,而对加速度的具体值究竟是多少并不关心,T1完全可以反应加速度的变化趋势,因此选择对T1进行测量和检测峰值即可得到我们所需的步数。 T1的测量可利用单片机的中断和计数器来实现。如图3所示,在上升沿Ta时刻开始计数,下降沿Tb时刻停止计数,读取数据并将计数器清零等待下一次上升沿再次开始计数。得到T1的数据,通过单片机进行峰值检测就可以确定步数。 峰值的检测通过门限判断实现。判断门限的选择非常关键,选择偏高会造成漏判;而偏低会造成误判。单一门限要实现准确的判断并不是很容易,解决的方法是如图6所示选择两个门限A和B,当数据大于门限B并且接下来变化小于门限A时判为一步,这