基于加速度传感器的计步器设计
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课程设计(报告)题目:基于加速度传感器的计步器设计课程:传感器与检测技术基于加速度传感器的计步器设计摘要随着我们生活水平的不断提高,社会各阶层的人们开始对身体健康尤其的关注。
然而健身的方法数不胜数,步行是最好的运动之一。
健康需要走出来,行走锻炼——人类生命健康的加氧站。
步行是一种静中有动、动中有静的健身方式,可以缓解神经肌肉紧张。
据专家实验得出,当烦躁、焦虑的情绪涌上心头时,我们以轻快的步伐散步15分钟左右,即可缓解紧张、稳定情绪。
计步器功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况。
而人的运动情况可以通过很多特性来进行分析。
比如人在运动时会产生加速度。
论文主要采用了以单片机AT89C52为核心的计步器控制系统,并实现运动计步,是通过人运动时产生加速度变化来实现的,本文利用具有体积小,功耗低,三轴加速度传感器MMA7455来实现,采集到的加速度数据通过适当的算法就可以实现计步功能,最后通过LCD1602给予显示。
本设计的特色在于完整的设计出计步器及其控制电路,整个系统具有控制方便,检测精确,硬件结构简单,方便携带,成本较低等优点。
关键词:单片机;加速度传感器;液晶显示Abstract With our continuous improvement of living standards, social strata, especially the health of people began to concern. However, numerous methods of fitness, walking is the best exercise one. Health needs to come out, walking exercise - human life and health and oxygen station. Walking is a static in action, moving in a static way of fitness, can relieve nerve muscle tension. According to experts, experimentally derived, when irritability, anxiety in my heart, we are walking at a brisk pace for about 15 minutes, you can relieve tension, emotional stability. Pedometer function can be calculated according to the movement of the person to analyze human health. And the movement of people can be analyzed through a number of characteristics. Such as human in motion will produce accelerations.Thesis uses a microcontroller AT89C52 as the core control system pedometer, pedometer and achieve movement is produced by the human movement acceleration change to achieve, this paper has a small size, low power consumption, triaxial acceleration sensor MMA7455 to implementation, the acceleration data collected through appropriate algorithms can achieve step count, and finally through LCD1602 given display.This design feature is the complete design of a pedometer and its control circuit, the whole system easy to control, detection accuracy, the hardware structure is simple, easy to carry, and low cost.Keywords: Mcrocontroller, Acceleration sensors, LCD目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 课题研究目的及意义 (1)1.2 国内外计步器的发展情况 (2)1.3 计步器的原理及分类 (3)2 计步器系统总体设计结构设计 (9)2.1 计步器总体设计 (9)2.2 三种计步器的对比 (9)2.3 系统硬件结构方案设计 (12)2.4 系统设计方案论证 (13)3 计步器系统硬件电路设计 (13)3.1 加速度传感器电路 (13)3.2 单片机系统电路 (20)3.3 LCD显示电路 (23)3.4 开关与电源电路 (25)4 计步器系统软件设计 (27)4.1 主程序流程图 (27)4.2 子程序流程图 (28)5 计步器调试与结果分析 (28)5.1 实物系统调试 (28)5.2 结果分析 (33)6 总结与展望 (33)参考文献 (34)附录程序代码 (35)1.绪论1.1课程研究目的及意义智能仪器是当代发展最为迅猛的科学技术,在工业领域得到了广泛的应用。
微机电系统设计与制造到宿到山顶舍:四点底但是的是是的上单上单是的目录0 引言 (1)1 人体运动模型 (2)2 算法设计 (3)3 硬件实现 (5)4 结论 (6)参考文献 (7)基于加速度传感器LIS3DH 的计步器设计摘要:设计了一种基于微机电系统( MEMS) 加速度传感器LIS3DH 的计步器,包括运动检测、数据处理和显示终端。
数字输出加速度传感器LIS3DH 作为运动检测模块,检测人体运动时加速度变化; 数据处理模块对加速度信息进行处理,使用FFT 滤波和自适应频率范围去除噪声对加速度信号的影响,利用加速度变化的上升、下降区间实现计步功能。
实验结果表明: 该计步系统具有体积小、结构简单、功耗低、工作稳定的特点,能够提供较高精度的计步功能。
关键词:微机电系统; 计步器; 加速度传感器; 高精度0 引言计步器是一种日常锻炼进度监控器,可以计算人们行走的步数,估计行走距离、消耗的卡路里,方便人们随时监控自己的健身强度、运动水平和新陈代谢。
早期的机械式计步器利用人走动时产生的振动触发机械开关检测步伐,虽然成本低,但是准确度和灵敏度都很低,体积较大,且不利于系统集成。
随着MEMS 技术的发展,基于MEMS 技术的惯性传感器得到迅速发展,其具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特点,利用MEMS 加速度传感器设计的电子计步器,通过测量人体行走时的加速度信息,经过软件算法计算步伐,可以克服机械式计步器准确度和灵敏度低的缺点,可准确地检测步伐,同时还可以输出运动状态的实时数据,对运动数据进行采集和分析。
本文基于LIS3DH[1]加速度传感器设计了一种电子式计步器,该传感器是意法半导体( ST) 公司的三轴重力加速度传感器,可以精确测得人行走时的步态加速度信号,具有功耗低、精确度和灵敏度高的特点。
1 人体运动模型通过步态加速度信号提取人步行的特征参数是一种简便、可行的步态分析方法。
行走运动包括3 个分量,分别是前向、侧向以及垂直向,如图1 所示。
《基于加速度传感器和无线传输的奶牛计步器系统》篇一一、引言随着现代畜牧业的发展,对奶牛的养殖管理提出了更高的要求。
为了更好地监测奶牛的活动情况,提高养殖效率,我们设计并实现了一种基于加速度传感器和无线传输的奶牛计步器系统。
该系统通过安装在奶牛身上的传感器实时监测奶牛的活动情况,并通过无线传输技术将数据传输到数据中心进行分析处理。
本文将详细介绍该系统的设计原理、实现方法和应用效果。
二、系统设计1. 硬件设计本系统主要由加速度传感器、微处理器、无线通信模块和电源模块等组成。
其中,加速度传感器用于实时监测奶牛的步数和活动情况;微处理器负责处理传感器的数据,并进行初步的存储和计算;无线通信模块将数据传输到数据中心;电源模块为整个系统提供稳定的电力供应。
2. 软件设计本系统的软件部分主要包括传感器数据的采集、处理、传输和分析等模块。
传感器数据采集模块负责实时获取加速度传感器的数据;数据处理模块对采集到的数据进行预处理,如去噪、滤波等;无线传输模块将处理后的数据通过无线方式发送到数据中心;数据分析模块对接收到的数据进行统计分析,得出奶牛的活动情况和步数等信息。
三、系统实现1. 传感器安装本系统将加速度传感器安装在奶牛的背部或腿部等位置,以确保传感器能够准确地监测到奶牛的步数和活动情况。
安装时需注意传感器的固定和防震措施,以确保数据的准确性。
2. 数据传输本系统采用无线传输技术,将传感器采集的数据传输到数据中心。
无线传输技术具有传输距离远、抗干扰能力强等优点,能够有效地保证数据的实时性和准确性。
3. 数据分析数据中心接收到数据后,通过数据分析模块对数据进行处理和分析,得出奶牛的活动情况和步数等信息。
这些信息可以用于评估奶牛的健康状况、活动习惯等,为养殖管理提供重要的参考依据。
四、应用效果本系统在实际应用中取得了显著的效果。
首先,通过实时监测奶牛的步数和活动情况,可以及时发现奶牛的异常行为,如长时间不活动或活动过度等,从而及时采取相应的措施,保障奶牛的健康。
《基于加速度传感器和无线传输的奶牛计步器系统》篇一一、引言随着现代农业技术的不断进步,奶牛养殖业对提高生产效率和优化养殖环境的关注度日益提升。
在众多技术手段中,基于加速度传感器和无线传输技术的奶牛计步器系统,为养殖业提供了新的解决方案。
本文将详细介绍这一系统的设计原理、技术实现及实际应用效果。
二、系统设计原理本系统主要基于加速度传感器和无线传输技术,实现对奶牛步数的实时监测和数据分析。
其中,加速度传感器负责捕捉奶牛的运动信息,无线传输技术则将数据实时传输至中央处理系统。
1. 硬件组成(1)加速度传感器:安装在奶牛身上的传感器设备,能够实时捕捉奶牛的运动数据,包括步数、步长等。
(2)无线传输模块:将加速度传感器采集的数据传输至中央处理系统。
(3)中央处理系统:对接收到的数据进行处理和分析,为养殖人员提供直观的数据展示和决策支持。
2. 工作原理本系统通过在奶牛身上安装传感器设备,实时捕捉奶牛的运动数据。
这些数据通过无线传输模块发送至中央处理系统。
中央处理系统对接收到的数据进行处理和分析,得出奶牛的步数、活动量等指标,并通过直观的界面展示给养殖人员。
三、技术实现1. 传感器选择与安装本系统采用高灵敏度的加速度传感器,可精确捕捉奶牛的运动信息。
传感器设备通过安全、无创的方式安装在奶牛身上,确保不影响奶牛的正常活动。
2. 无线传输技术本系统采用低功耗的无线传输技术,确保数据的实时传输。
同时,该技术具有较高的抗干扰能力,确保在复杂环境下数据的稳定传输。
3. 中央处理系统设计中央处理系统采用高性能的计算机或服务器,具备强大的数据处理和分析能力。
系统软件采用友好的界面设计,为养殖人员提供直观的数据展示和决策支持。
四、实际应用效果本系统在奶牛养殖业中具有广泛的应用价值。
首先,通过对奶牛步数的实时监测,可以了解奶牛的活动量,评估其健康状况。
其次,通过对奶牛活动量的数据分析,可以优化饲养管理,提高生产效率。
此外,本系统还具有以下优点:1. 提高养殖效率:通过实时监测奶牛的活动量,养殖人员可以及时调整饲养策略,提高养殖效率。
基于加速度传感器为基础的计步器毕业设计1.绪论1.1课程研究目的及意义智能仪器是当代发展最为迅猛的科学技术,在工业领域得到了广泛的应用。
基于仪器仪表智能化的发展趋势,发展出很多以单片机为基础的智能仪器产品。
在日常生活中,计步器的应用得到了广泛的认可,计步器最基本的功能就是计步,在你散步甚至跑步的时候能帮你计算总共走了几步。
除了计步功能,卡路里,距离,收音机和时间也是计步器通常带有的功能,这些功能都非常普遍。
随着发展的深入,温度计,高度计、心率计、秒表和气压计等很多针对户外活动的功能也越来越多的应用于计步器。
目前,计步器的构成有机械式和电子式两种。
机械式的计步器利用人行走时的振动引起计步器内部簧片或者弹力小球的振动来产生电子脉冲,内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。
这种机械方式的成本比较低,但是它的准确性和灵敏度很低。
另一种是基于加速度传感器的电子式的计步器,可以精确测得人行走时的步态加速度信号。
通过微控制器相关算法可以获得人行走时的步数,这种电子计步器具有功耗低,精确度和灵敏度高等优点。
其中本文讨论的基于加速度传感器为基础的计步器正好利用了加速度特性来进行分析,行走或跑步过程中人体的多处部位都在运动,会产生相应的加速度,加速度与时间成正弦曲线,并且会在某一点形成峰值,因为通过计算可以计算步数,估算距离。
因为其种种优点逐渐成为计步器市场上的代表。
美国医学专家推荐了一个用走路自测健康状况的公式:如果你能在10分钟内走完1000步,说明健康状况良好;如果能在20分钟内走完2000步,说明健康状况优秀;而如果能在30分钟内走完3000步,那么你的身体状况与一个青壮年小伙子一样棒。
正因为步行对健康起到如此重要的作用,而又需要比较合理的测出行走的步数,一个小巧方便的计步器是不可或缺的。
它是一种健康电子产品,顾名思义就是在你走步的时候帮你计算一共走了多少步,是一个既经济又科学的小工具。
计步器可以帮我们完成每天走步计数目标。
基于加速度传感器ADXL345的计步器设计摘要: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。
计步器功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况。
而人的运动情况可以通过很多特性来进行分析。
与传统的机械式传感器不同,ADXL345是电容式三轴传感器,由它捕获人体运动时加速度信号,更加准确。
信号通过低通滤波器滤波,由单片机内置A/D转换器对信号进行采样、A/D转换。
软件采用自适应算法实现计步功能,减少误计数,更加精确。
单片机STC89C52控制液晶显示计步状态。
整机工作电流只有1-1.5mA,实现超低功耗。
关键词:计步器;加速度传感器;ADXL345;低功耗0 前言随着社会的发展,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。
基于加速度传感器LIS3DH的计步器设计韩文正;冯迪;李鹏;马文超【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2012(31)11【摘要】A pedometer based on micro-electro-mechanical'system ( MEMS) acceleration sensor LIS3DH is designed, including motion detection, data processing and display terminal. The digital output acceleration sensor LIS3DH is used as motion detection module, which detects the acceleration change of human motion; data processing module processes the acceleration signal,FFT filtering and adaptive frequency range are used to remove influence of noise on acceleration signal, using rise and decline region of acceleration change to calculate the numher of steps of human walking. The experimental results show that the system has the advantages of small size, simple structure, low power consumption, stable operation, and it can provide high precision step counting function.%设计了一种基于微机电系统(MEMS)加速度传感器LIS3DH的计步器,包括运动检测、数据处理和显示终端.数字输出加速度传感器LIS3DH作为运动检测模块,检测人体运动时加速度变化;数据处理模块对加速度信息进行处理,使用FFT滤波和自适应频率范围去除噪声对加速度信号的影响,利用加速度变化的上升、下降区间实现计步功能.实验结果表明:该计步系统具有体积小、结构简单、功耗低、工作稳定的特点,能够提供较高精度的计步功能.【总页数】3页(P97-99)【作者】韩文正;冯迪;李鹏;马文超【作者单位】北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;联想(北京)研究院,北京100085;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100191;联想(北京)研究院,北京100085【正文语种】中文【中图分类】TP212.9【相关文献】1.基于加速度传感器的计步器设计 [J], 李雪梅;车爱静;高焕明2.基于三轴加速度传感器的计步器的设计 [J], 陈蔚3.基于加速度传感器的计步器设计 [J], 李雪梅;车爱静;高焕明4.基于加速度传感器的自适应采样计步器设计 [J], 魏芬;邓海琴5.基于轴加速度传感器的智能计步器设计 [J], 薛娓娓; 李娣娜; 马惠铖因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计毕业设计基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计摘要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。
计步器功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况。
而人的运动情况可以通过很多特性来进行分析。
比如人在运动时会产生加速度。
本文介绍了利用人运动时产生加速度变化来检测步数的计步器实现方案,利用具有体积小,功耗低,三轴高精度加速度传感器ADXL345,芯片内部即可把数据采集来的数据处理为数字数据,采集到加速度数据以后加以适当的算法就可以实现计步功能。
本文设计了一款基于加速度传感器ADXL345的计步器。
详细介绍了计步器的软件算法的实同时芯片中还集成了SPI和I²C接口,可以方便地将数据传输到主控芯片。
该系统设计简单,实现方便。
该芯片也可以扩展到其它需要测量加速度的应用场合,具有非常广阔的应用前景。
关键字:计步器加速度传感器ADXL345 低功耗基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计Based on three accelerometer ADXL345 company-wide functionalpedometer designAbstractPedometer is a popular daily exercise, can inspire people progress monitors challenge yourself, enhanced physique, help thin body. Early design of mechanical switch detection using aggravated with a simple steps, and the counter. When shaking these devices, can hear a metal ball slide back and forth, or a pendulum swings around percussion block pieces.Pedometer function can according to the calculated a people's movement situation to analyze a healthy condition of body. But the person's movements can pass a lot of properties for analysis. Such as people in motion produces acceleration. This paper describes the use of people move to detect changes generated when the acceleration of steps, utilization of implementation scheme pedometer, small size, low power consumption, high ADXL345 three axis acceleration sensor, chip can put the data acquisition to internal data processing for the digital data acquisition to acceleration data, after appropriate algorithm can achieve plan step function. This paper introduces the design of a paragraph of the pedometer ADXL345 based on acceleration sensor. Introduces the software algorithm real pedometer while the SPI has integrated chip I²C interface, and I can be conveniently data transmission to the main control chip. The system is simple in design, realization convenient. The chip can also extend to other need to measure the applications, the acceleration is very broad application prospect.KEY WORDS pedometer acceleration sensor ADXL345 low power consumption基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计毕业设计目录中文摘要 (I)英文摘要 (II)1 绪论 (1)2 课题研究背景及意义 (2)2.1 光电计步器 (2)2.2基于射频技术的短跑训练计步器 (4)2.3 基于加速度传感器的计步器 (5)3 ADXL3XX系列产品简介及本次设计方案的提出 (6)3.1 ADXL335, ADXL345和ADXL346三轴加速度计的区别 (7)3.1.1 ADXL335的简介、特点及功能框图 (7)3.1.2 ADXL346的简介、特点及功能框图 (9)3.1.3 ADXL345的简介、特点及功能框图 (11)3.2 本次系统总体设计方案的提出 (14)3.2.1 ADXL345中断及寄存器功能分析 (13)3.2.2 系统总体设计方案 (15)4 系统硬件设计各模块电路 (17)4.1 传感器电路连接模块 (17)4.1.1 ADXL345的两种串行通信模式简介 (16)4.1.2 传感器模块连接 (18)4.2 微处理器模块 (21)4.3 EEPROM模块 (22)4.4 显示模块 (23)5 软件设计 (27)基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计5.1 软件总体设计 (27)5.2 算法的实现 (28)6 结论 (32)致谢 (33)参考文献 (36)附录1 加速度计步器ADXL345简介 (38)附录2 整机电路图 (41)附录3 源程序 (41)1 绪论随着社会的发展,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。
基于加速度传感器的计步器设计作者:李雪梅车爱静高焕明来源:《山东工业技术》2019年第11期摘要:近年来,人们越来越重视养生与身体锻炼,而计步器可以作为检测运动量的重要工具。
提出了一款基于加速度传感器的计步器设计方案,硬件部分用加速度传感器采集加速度信号,然后传输给单片机进行步数统计,最后由LCD显示器直接显示出步数信息。
软件部分采用峰值检测和时间阈值共同实现计步。
实验证明计步器的精确度高、功耗小,鲁棒性强。
关键词:加速度传感器;计步器;单片机;计步算法DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2019.11.1190 引言随着生活水平的不断提高,人们越来越关注身体健康,人们可以根据个人的健康情况来订制适合自己的运动量,计步器成为检测运动量的重要工具。
早期的计步器是机械式的,精确度低,逐渐被便携式的电子计步器取代。
通过研究发现,人体在行走的过程中会产生前向、侧向和垂直三个方向的加速度,而三轴加速度传感器恰好可以采集三个方向的信号数据,因此用ADXL345加速度传感器来采集人体运动时的加速度信息。
1 设计方案基于加速度传感器的计步器硬件电路[1]设计由以下几部分组成:单片机STC89C52与晶振电路和复位电路构成的最小系统,三轴加速度传感器ADXL345,LCD1602显示模块,电源电路。
硬件结构框图如图1所示:单片机STC89C52作为计步器的控制系统,可以对数据进行处理、计算。
三轴加速度传感器ADXL345是一款体积小低成本的传感器,自身集成了信号调理、滤波的功能。
LCD1602作为人机交互界面,功耗低,体积小,用于显示当前的步数、里程等信息。
在人体運动过程中,三轴加速度传感器ADXL345采集人体的加速度信号,经过模数转换,传输给单片机STC89C52,单片机对数据进行处理、计算,然后传输给LCD1602,则运动的步数,里程等信息直观显示出来,整个系统由电源电路供电。
2 工作流程设计由于人体运动时产生3个方向的加速度,每个迈步周期中三个方向的加速度变化特点不同,在完整的一步中,其变化趋势[2]如表1所示:统计步数时需要将采集到的三个数据合成一个总的加速度。
《基于加速度传感器和无线传输的奶牛计步器系统》篇一一、引言随着现代畜牧业的发展,对奶牛的健康管理和生产效率的监控变得越来越重要。
为了实现这一目标,各种先进的科技手段被引入到畜牧业中。
其中,基于加速度传感器和无线传输技术的奶牛计步器系统在奶牛行为监测、健康评估和生产效率提升等方面展现出巨大潜力。
本文将详细介绍基于加速度传感器和无线传输的奶牛计步器系统的原理、设计、实现及应用。
二、系统原理及组成1. 系统原理本系统主要利用加速度传感器对奶牛的运动状态进行实时监测,通过无线传输技术将数据传输至数据中心进行分析和处理。
通过对奶牛步数的统计,可以分析出奶牛的活动量、运动规律等信息,从而实现对奶牛行为的监测和健康评估。
2. 系统组成本系统主要由以下几个部分组成:(1)加速度传感器:用于实时监测奶牛的运动状态,包括步数、步频等数据。
(2)无线传输模块:将加速度传感器采集的数据传输至数据中心。
(3)数据中心:对接收到的数据进行处理和分析,包括步数统计、运动规律分析、健康评估等。
(4)用户界面:将处理后的数据以图表等形式展示给用户,方便用户了解奶牛的行为和健康状况。
三、系统设计及实现1. 硬件设计本系统的硬件部分主要包括加速度传感器和无线传输模块。
其中,加速度传感器应选用灵敏度高、抗干扰能力强的型号,以确保数据的准确性。
无线传输模块应选用传输速度快、稳定性好的模块,以确保数据的实时传输。
2. 软件设计本系统的软件部分主要包括数据采集、数据处理和数据展示三个部分。
数据采集部分负责从加速度传感器中获取数据;数据处理部分负责对数据进行清洗、分析和处理;数据展示部分将处理后的数据以图表等形式展示给用户。
四、系统应用及效果1. 奶牛行为监测通过本系统,可以实时监测奶牛的步数、步频等运动数据,从而分析出奶牛的活动量、运动规律等信息。
这些信息有助于了解奶牛的行为习惯,为饲养管理提供参考。
2. 奶牛健康评估通过对奶牛的步数和运动规律进行分析,可以判断出奶牛的健康状况。
微机电系统设计与制造
到宿
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上单是的
目录
0 引言 (1)
1 人体运动模型 (2)
2 算法设计 (3)
3 硬件实现 (5)
4 结论 (6)
参考文献 (7)
基于加速度传感器LIS3DH 的计
步器设计
摘要:设计了一种基于微机电系统( MEMS) 加速度传感器LIS3DH 的计步器,
包括运动检测、数据处理和显示终端。
数字输出加速度传感器LIS3DH 作为运动检测模块,检测人体运动时加速度变化; 数据处理模块对加速度信息进行处理,使用FFT 滤波和自适应频率范围去除噪声对加速度信号的影响,利用加速度变化的上升、下降区间实现计步功能。
实验结果表明: 该计步系统具有体积小、结构简单、功耗低、工作稳定的特点,能够提供较高精度的计步功能。
关键词:微机电系统; 计步器; 加速度传感器; 高精度
0 引言
计步器是一种日常锻炼进度监控器,可以计算人们行走的步数,估计行走距离、消耗的卡路里,方便人们随时监控自己的健身强度、运动水平和新陈代谢。
早期的机械式计步器利用人走动时产生的振动触发机械开关检测步伐,虽然成本低,但是准确度和灵敏度都很低,体积较大,且不利于系统集成。
随着MEMS 技术的发展,基于MEMS 技术的惯性传感器得到迅速发展,其具有价格低、体积小、功耗低、精度高的特点,利用MEMS 加速度传感器设计的电子计步器,通过测量人体行走时的加速度信息,经过软件算法计算步伐,可以克服机械式计步器准确度和灵敏度低的缺点,可准确地检测步伐,同时还可以输出运动状态的实时数据,对运动数据进行采集和分析。
本文基于LIS3DH[1]加速度传感器设计了一种电子式计步器,该传感器是意法半导体( ST) 公司的三轴重力加速度传感器,可以精确测得人行走时的步态加速度信号,具有功耗低、精确度和灵敏度高的特点。
1 人体运动模型
通过步态加速度信号提取人步行的特征参数是一种简便、可行的步态分析方法。
行走运动包括3 个分量,分别是前向、侧向以及垂直向,如图1 所示。
LIS3DH 是一种三轴( X ,Y ,Z 轴) 的数字输出加速度器,可以与运动的3 个方向相对应。
行走运动分量在一个步伐,即一个迈步周期中加速度变化规律如图2 所示,脚蹬地离开地面是一步的开始,此时,由于地面的反作用力垂直加速度开始增大,身体重心上移,当脚达到最高位置时,垂直加速度达到最大,然后脚向下运动,垂直加速度开始减小,直至脚着地,加速度减至最小值,接着下一次迈步发生。
前向加速度由脚与地面的摩擦力产生的,因此,双脚触地时增大,在一脚离地时减小。
图3 为一次步行实验中,LIS3DH 检测到的X ,Y ,Z 轴的加速度变化情况。
可以看出: Z 轴加速度数据( 人行走的竖直方向) 具有明显的周期性,加速度值最小处对应的是脚离开地面( 一步的开始或结束) ,最大值对应脚抬到最高点。
在具体使用时,手持设备的放置情况是随意的,加速度计的3 个轴有可能不与人体模型定义的3 个轴向重合,文献[4]中提到利用加速度的峰—峰值来判断加速输出最大的一轴作为有效轴。
但这种方法易丢失计数点,使计数不够准确。
为了充分利用加速度传感器输出的三轴信号,本文将加速度信号进行取模求和后用来计步。
图1 人体行走模型 Fig 1 Human walking model 图2 人体行走模型分析 Fig 2 Analysis of human walking model
2 算法设计
由图3 可知,Z 向加速度计原始输出虽然具有一定的周期性,但由于噪声导致变化复杂,不易于直接进行计步,需对信号进行滤波,尽可能消除噪声影响。
通常情况下,人的步频最快不会超过5 steps /s,最慢为0. 5 steps /s。
因此,可以认为原始信号中频率为0. 5 ~ 5 Hz 的信号为有用信号,其他信号均为噪声。
可以用( FFT) 滤波实现保留部分频率信息的要求,提取有用信息。
但正常行走的任一段时间内,步频的变化都会集中在峰值频率附近的一个小范围内,而不是0. 5~ 5 Hz 这么大,所以,本文经过分析大量实验数据的频谱,建立了一个比0. 5 ~ 5 Hz 小的自适应频率范围( f1,f2) ( 如图4 所示) ,通过FFT 保留该频率范围内的有用信号,去除范围外的无用信息。
经实验验证利用该动态频率范围能更好地去除噪声对步数判断的影响,如图5( a) 和( b) 所示。
图5 ( a) 是利用FFT 滤波和动态频率范围对原始加速度信号滤波后的加速度变化曲线,图5( b) 是直接利用FFT 滤波与0. 5 ~ 5 Hz 的频率范围对原始加速度滤波后的加速度变化曲线。
由图5 可以看出: 图5( a) 中部分噪声还不能消除,存在多峰值的情况,而计步图5( b) 中加速度曲线较平滑,加速度的周期性化趋势已非常明显,变换规律也比较简单,可利用软件算法实现计步,停止时加速度虽仍有一定的输出,但其峰值明显小于行走时加速度峰值,因此,可通过限定加速度的大小去除影响。
对行走时加速度变化曲线进行分析,可以看出在一定时间间隔内会有一个加速度波谷( 图中的1 ~ 4 点) 和加速度最小的时刻( 对应脚落下或者抬起) ,当脚抬起来的时候( “起点”) ,身体重心上移,加速度也变大,加速度曲线中波峰对应的是人脚抬至最高处,再到下一个波谷,这就是一个完整的步伐。
此外,计步器因步行之外的原因而迅速或缓慢振动时,也会被计数器误认为是步伐。
在步行时,速度快时一个步伐所占的时间间隔长,走的慢时时间间隔短,但都应在动态频率范围确定时间窗口内,所以,利用这个时间窗口就可以有效地减小无效振动对步频判断造成的影响。
基于以上分析,可以确定迈步周期中加速度变化情况应具备以下特点:
(1)一个迈步周期中仅出现一次加速度极大值、极小值,有一个上升区间和下降区间;
(2)一个单调区间对应迈步周期的50 %,因而,时间间隔应该在1 /2 个时间窗口之间;
(3)行走时,加速度极大值与极小值是交替出现的,且其差的绝对值不小于预设的阈值1。
根据以上三点对加速度变化区间进行约束,认为同时满足以上三点变化区间对应半个步伐。
具体流程图如图6所示。
图中fs为采样频率。
3 硬件实现
图7 所示为系统的硬件结构框图。
本文中选用的加速度传感器LIS3DH 输出数字信号,所以,采样得到的数据不必再专门选用芯片来做模数转换。
传感器和控制模块接口为SPI 总线或者I2C 总线。
加速度传感器LIS3DH,有X,Y,Z 三个自由度的加速度数字输出,可以全方位感知人体行走运动信息; 控制模块由LCD12864[5]显示模块、微控制器MC9S12XS128[6]、键盘和电源组成,用来读取加速度信息,并将算法处理得到计步数值显示在液晶显示屏上。
为了检验计步器的精度和适应能力,在加速度计Z 轴朝上的情况下从较慢步频、正常步频、较快步频3 个方面进行测试,分别进行2 组实验,每次实验行走100 步。
计步器测试结果见表1。
4 结论
加速度传感器LIS3DH 采用3mm × 3mm × 1mm 的小尺寸封装,大大减小了整个系统的尺寸,可以很方便地移植到如手机、遥控器以及游戏机这些有运动感应功能,而空间和功耗有严格限制的设计中; 由于具有三轴数字输出功能,用户可以将计步器戴在身上任何部位。
该计步系统可以较好地适应不同步频情况,计步精度高,稳定性好。
参考文献
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