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- 加速度傳感器在計(jì)步器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用解析（一）
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/6/11
摘要
隨著我們生活水平的不斷提高，社會(huì)各階層的人們開(kāi)始對(duì)身體健康尤其的關(guān)注。然而健身的方法數(shù)不勝數(shù)，步行是最好的運(yùn)動(dòng)之一。健康需要走出來(lái)，行走鍛煉——人類(lèi)生命健康的加氧站。步行是一種靜中有動(dòng)、動(dòng)中有靜的健身方式，可以緩解神經(jīng)肌肉緊張。據(jù)專(zhuān)家實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)煩躁、焦慮的情緒涌上心頭時(shí)，我們以輕快的步伐散步15分鐘左右，即可緩解緊張、穩(wěn)定情緒。計(jì)步器功能可以根據(jù)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)分析人體的健康狀況。而人的運(yùn)動(dòng)情況可以通過(guò)很多特性來(lái)進(jìn)行分析。比如人在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速度。
本文主要采用了以單片機(jī)AT89C52為核心的計(jì)步器控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)計(jì)步，是通過(guò)人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本文利用具有體積小，功耗低，三軸加速度傳感器MMA7455來(lái)實(shí)現(xiàn)，采集到的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ň涂梢詫?shí)現(xiàn)計(jì)步功能，最后通過(guò)LCD1602給予顯示。
本設(shè)計(jì)的特色在于完整的設(shè)計(jì)出計(jì)步器及其控制電路，整個(gè)系統(tǒng)具有控制方便，檢測(cè)精確，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便攜帶，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；加速度傳感器；液晶顯示
1.緒論
1.1課程研究目的及意義
智能儀器是當(dāng)代發(fā)展最為迅猛的科學(xué)技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用�；趦x器儀表智能化的發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)展出很多以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能儀器產(chǎn)品。在日常生活中，計(jì)步器的應(yīng)用得到了廣泛的認(rèn)可，計(jì)步器最基本的功能就是計(jì)步，在你散步甚至跑步的時(shí)候能幫你計(jì)算總共走了幾步。 除了計(jì)步功能，卡路里，距離，收音機(jī)和時(shí)間也是計(jì)步器通常帶有的功能，這些功能都非常普遍。隨著發(fā)展的深入，溫度計(jì)，高度計(jì)、心率計(jì)、秒表和氣壓計(jì)等很多針對(duì)戶(hù)外活動(dòng)的功能也越來(lái)越多的應(yīng)用于計(jì)步器。目前，計(jì)步器的構(gòu)成有機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式的計(jì)步器利用人行走時(shí)的振動(dòng)引起計(jì)步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過(guò)判斷電子脈沖的方法來(lái)達(dá)到計(jì)步的功能。這種機(jī)械方式的成本比較低，但是它的準(zhǔn)確性和靈敏度很低。另一種是基于加速度傳感器的電子式的計(jì)步器，可以精確測(cè)得人行走時(shí)的步態(tài)加速度信號(hào)。通過(guò)微控制器相關(guān)算法可以獲得人行走時(shí)的步數(shù)，這種電子計(jì)步器具有功耗低，精確度和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
其中本文討論的基于加速度傳感器為基礎(chǔ)的計(jì)步器正好利用了加速度特性來(lái)進(jìn)行分析，行走或跑步過(guò)程中人體的多處部位都在運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，加速度與時(shí)間成正弦曲線，并且會(huì)在某一點(diǎn)形成峰值，因?yàn)橥ㄟ^(guò)計(jì)算可以計(jì)算步數(shù)，估算距離。因?yàn)槠浞N種優(yōu)點(diǎn)逐漸成為計(jì)步器市場(chǎng)上的代表。
美國(guó)醫(yī)學(xué)專(zhuān)家推薦了一個(gè)用走路自測(cè)健康狀況的公式：如果你能在10分鐘內(nèi)走完1000步，說(shuō)明健康狀況良好；如果能在20分鐘內(nèi)走完2000步，說(shuō)明健康狀況優(yōu)秀；而如果能在30分鐘內(nèi)走完3000步，那么你的身體狀況與一個(gè)青壯年小伙子一樣棒。正因?yàn)椴叫袑?duì)健康起到如此重要的作用，而又需要比較合理的測(cè)出行走的步數(shù)，一個(gè)小巧方便的計(jì)步器是不可或缺的。它是一種健康電子產(chǎn)品，顧名思義就是在你走步的時(shí)候幫你計(jì)算一共走了多少步，是一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)的小工具。計(jì)步器可以幫我們完成每天走步計(jì)數(shù)目標(biāo)。
總的來(lái)說(shuō)，計(jì)步器的開(kāi)發(fā)研制對(duì)健康生活極其關(guān)鍵。它不僅僅是一個(gè)計(jì)數(shù)的機(jī)器，更是一個(gè)督促運(yùn)動(dòng)，與健康密切聯(lián)系的必需品。
1.2 國(guó)內(nèi)外計(jì)步器的發(fā)展情況
20 世紀(jì) 40 年代初，德國(guó)人研制了世界上第一只擺式陀螺加速度計(jì)。此后的半個(gè)多世紀(jì) 以來(lái)，由于航空、航海和航天領(lǐng)域?qū)T性測(cè)量元件的需求，各種新型加速度計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。
加速度計(jì)面世后一直作為最重要的慣性?xún)x表之一，用在慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，與 海陸空天運(yùn)載體的自動(dòng)駕駛及高技術(shù)武器的高精度制導(dǎo)聯(lián)系在一起受到重視。這時(shí)候的加速度計(jì)整個(gè)都很昂貴，使其他領(lǐng)域?qū)λ苌賳?wèn)津。
這種狀況直到微機(jī)械加速度計(jì)(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的問(wèn)世才發(fā)生 了改變。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，微加速度計(jì)制作技術(shù)越來(lái)越成熟，國(guó)內(nèi)外都將微加速 度計(jì)開(kāi)發(fā)作為微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品化的優(yōu)先項(xiàng)目。微加速度計(jì)與通常的加速度計(jì)相比，具有很多 優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以廣泛地運(yùn)用于航空航天、汽 車(chē)工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)器人等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)在加速度技術(shù)上仍沿用傳統(tǒng)的壓電技術(shù)，精度停留在 5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影響我國(guó)慣導(dǎo)技術(shù)的先進(jìn)性。近年來(lái)國(guó)內(nèi)雖然有多個(gè)單位MEMS微加速度計(jì)進(jìn)行了研究，但在精度上仍未取得突破，大體上只能達(dá)到 10-1g的水平。
我國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代末開(kāi)始了 MEMS 技術(shù)的研究，包括硅微型壓力傳感器、微型電機(jī)和微型泵。10 多年來(lái)研究隊(duì)伍逐步擴(kuò)大，本世紀(jì)初已形成 40多個(gè)單位的 50 多個(gè)研究小組， 在 MEMS 傳感器方面開(kāi)展了大量的研究工作，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。MEMS研究方向包括：微型慣性器件和慣性測(cè)量組合；機(jī)械量微型傳感器和制動(dòng)器；微流量器件和系統(tǒng)；生物傳感器、生物芯片和微操作系統(tǒng)；微型機(jī)器人；硅和非硅制造工藝。國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)表明，我國(guó)研制的振動(dòng)輪式機(jī)械陀螺零偏穩(wěn)定性達(dá)到 70°/h，隨機(jī)游走噪聲達(dá)到 30°/。但由于基礎(chǔ)研究的薄弱，技術(shù)人員的缺乏，技術(shù)和資金投入的不足，我國(guó)在各個(gè)技術(shù)方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在批量生產(chǎn)時(shí)性能的穩(wěn)定性和器件的完好率都有待于提高。
基于加速度傳感器的計(jì)步器最大的核心問(wèn)題是它的精確度問(wèn)題，如何正確統(tǒng)計(jì)人行走或者跑步的距離，如何準(zhǔn)確計(jì)算消耗的卡路里。在精確度問(wèn)題上，日本及一些歐洲國(guó)家所生產(chǎn)的的計(jì)步器較為精確，我國(guó)方面多用于基礎(chǔ)民用階段。但由于機(jī)械生產(chǎn)的精度不高，電路集成性不強(qiáng)，導(dǎo)致計(jì)步器的便攜性弱于國(guó)外產(chǎn)品。
精確性的決定條件就是傳感器的精確性，加速度傳感器的種類(lèi)很多，發(fā)展也很快，目前應(yīng)用比較比較成熟的有電容式加速度傳感器和壓阻式加速度傳感器。壓阻式加速度傳感器是利用硅材料電阻率的變化。壓阻式加速度傳感器具有頻率響應(yīng)特性好、測(cè)量方法易行、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是溫度效應(yīng)嚴(yán)重、靈敏度低。電容式加速度傳感器是將被測(cè)加速度轉(zhuǎn)換成電容的變化來(lái)進(jìn)行加速度測(cè)量的。其基本特征是工作性能穩(wěn)定，溫度漂移小。然而，電容式加速度傳感器在將被測(cè)加速度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電容器電容變化量時(shí)，由于加速度慣性力引起電容極板位移的敏感度和速度總是慢于和小于懸臂梁等支承梁上應(yīng)力變化的敏感度和速度，所以聲表面波加速度傳感器對(duì)被測(cè)加速度的敏感度和響應(yīng)速度要高于和快于電容式等其它類(lèi)型的加速度傳感器。近年來(lái)，開(kāi)放新型功能材料、研究新型傳感技術(shù)，已被發(fā)達(dá)國(guó)家列為現(xiàn)代和未來(lái)科學(xué)研究的技術(shù)開(kāi)放規(guī)劃中的戰(zhàn)略重點(diǎn)。利用新材料、新原理和新工藝研制出高性能、低成本、智能化、微型化的傳感器是研究新型傳感器的主要手段和最終目標(biāo)。在種類(lèi)眾多的傳感器家族中，聲表面波是其中比較出色的一員。
1.3計(jì)步器的原理及其分類(lèi)
目前，計(jì)步器的構(gòu)成有機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式的計(jì)步器利用人行走時(shí)的振動(dòng)引起計(jì)步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過(guò)判斷電子脈沖的方法來(lái)達(dá)到計(jì)步的功能。這種機(jī)械方式的成本比較低，但是它的準(zhǔn)確性和靈敏度很低。而采用三軸加速度傳感器MMA7455，可以精確測(cè)得人行走時(shí)的步態(tài)
加速度信號(hào)。通過(guò)微控制器相關(guān)算法可以獲得人行走時(shí)的步數(shù)，這種電子計(jì)步器具有功耗低，精確度和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
電子計(jì)步器的工作核心就是傳感器，一般根據(jù)傳感器的形式可分為2D計(jì)步器和 3D 計(jì)步器。 按功能分又可以分為單功能計(jì)步器， 計(jì)步器手表， 脂肪測(cè)量計(jì)步器等等。老一代的2D振動(dòng)傳感器其實(shí)就是一個(gè)平衡錘在上下振動(dòng)時(shí)平衡被破壞使一個(gè)觸點(diǎn)能出現(xiàn)通/斷動(dòng)作，由電子計(jì)數(shù)器記錄并顯示就完成了主要功能，其他的熱量消耗，路程換算均由電路完成，也稱(chēng)作機(jī)械式計(jì)步器。一般這種2D的電子計(jì)步器在使用的時(shí)候都需要垂直地面佩帶才能感受人體的震動(dòng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)記錄，所記錄的數(shù)據(jù)誤差偏大，價(jià)格便宜。當(dāng)前市面上主流都是使用3D式電子計(jì)步器。3D意味著全方位感受人體震動(dòng)，也就是不需要再垂直地面佩帶，只要帶在身邊口袋中，手提包內(nèi)都可以計(jì)步。不管是2D還是3D電子計(jì)步器，都是需要錄入使用者的個(gè)人信息。畢竟作為專(zhuān)業(yè)的計(jì)步器與計(jì)步軟件最大的不同，就是計(jì)步器的準(zhǔn)確性。通常需要錄入的個(gè)人信息最基本的數(shù)據(jù)就是體重與步距。體重是用來(lái)測(cè)算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用來(lái)計(jì)算步行速度，步行距離的前提。而網(wǎng)上流行的計(jì)步軟件只能記錄走路的步數(shù)，無(wú)法測(cè)算卡路里的消耗，步行的路程，時(shí)間，速度等數(shù)據(jù)更是因?yàn)闆](méi)有錄入步距的情況下導(dǎo)致數(shù)據(jù)極不準(zhǔn)確，無(wú)法起到控制運(yùn)動(dòng)量的作用。2D 計(jì)步器只能存儲(chǔ)一組步數(shù)，距離，卡路里數(shù)據(jù)，用戶(hù)可以復(fù)位清除記憶中的數(shù)據(jù)并重新計(jì)步。3D 計(jì)步器可以按日期存儲(chǔ)多天的步數(shù)，距離，卡路里，時(shí)間等數(shù)據(jù)。計(jì)步器每天24點(diǎn)自動(dòng)將前一天數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在記憶體中，并將當(dāng)天步數(shù)等數(shù)據(jù)自動(dòng)歸零。用戶(hù)可以通過(guò)MEM 按鈕回看過(guò)去幾天的數(shù)據(jù)。通常3D計(jì)步器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以達(dá)到6天或者更多。計(jì)步器手表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式和3D 計(jì)步器相同。
1.3.1 單功能計(jì)步器
單功能計(jì)步器也可以稱(chēng)作2D計(jì)步器，是最簡(jiǎn)單的計(jì)步器。通常來(lái)說(shuō)單功能計(jì)步器只是計(jì)算你在運(yùn)動(dòng)走路中你所走的步數(shù)，這種計(jì)步器是最早也是最簡(jiǎn)單的，普遍采用了游絲擺錘機(jī)械式傳感器，精度低但成本低，適合大批量生產(chǎn)。在單功能計(jì)步器中沒(méi)有時(shí)間精度，無(wú)防水防塵防震，無(wú)法數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，無(wú)速度顯示，佩戴時(shí)必需垂直，配有皮帶夾，普遍是塑料材質(zhì)，沒(méi)有秒表時(shí)間日歷等功能。
圖1 單功能計(jì)步器
1.3.2 3D計(jì)步器
當(dāng)前市面上主流都是使用3D式電子計(jì)步器。3D意味著全方位感受人體震動(dòng)，也就是不需要再垂直地面佩帶，只要帶在身邊口袋中，手提包內(nèi)都可以計(jì)步。不管是2D還是3D電子計(jì)步器，都是需要錄入使用者的個(gè)人信息。畢竟作為專(zhuān)業(yè)的計(jì)步器與計(jì)步軟件最大的不同，就是計(jì)步器的準(zhǔn)確性。通常需要錄入的個(gè)人信息最基本的數(shù)據(jù)就是體重與步距。體重是用來(lái)測(cè)算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用來(lái)計(jì)算步行速度，步行距離的前提。而網(wǎng)上流行的計(jì)步軟件只能記錄走路的步數(shù)，無(wú)法測(cè)算卡路里的消耗，步行的路程，時(shí)間，速度等數(shù)據(jù)更是因?yàn)闆](méi)有錄入步距的情況下導(dǎo)致數(shù)據(jù)極不準(zhǔn)確，無(wú)法起到控制運(yùn)動(dòng)量的作用。在3D計(jì)步器中主要是采用加速度傳感器，雙行顯示，可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，顯示卡路里，步數(shù)，距離等，相對(duì)于2D計(jì)步器更加的精確，便攜，質(zhì)量好。
圖2.3D計(jì)步器
1.3.3 計(jì)步器手表
計(jì)步器手表也就是將3D計(jì)步器的芯片整合在手表中。這樣用戶(hù)可以通過(guò)佩戴計(jì)步器手表來(lái)計(jì)算步數(shù)，跑步速度，跑步距離，卡路里，并且還能擁有手表的日歷，鬧鐘，秒表，計(jì)時(shí)等等功能
除此之外，還有些其他功能附加，或者制作出不同的佩戴方式，比如脂肪測(cè)量計(jì)步器，顧名思義，就是計(jì)步器整合了脂肪測(cè)量?jī)x的功能。脂肪測(cè)量?jī)x是通過(guò)手指按住計(jì)步器的兩個(gè)角上的電阻片，4秒鐘讀出人體的脂肪率。并計(jì)算人體的肥胖程度。其中人體的年齡，性別，體重等數(shù)據(jù)和計(jì)步器公用。對(duì)一些利用計(jì)步器來(lái)減肥的人群十分適用。收音機(jī)計(jì)步器計(jì)步器結(jié)合了FM調(diào)頻收音機(jī)的功能。人們可以一邊走路跑步計(jì)步，一邊欣賞音樂(lè)和廣播。計(jì)步腕帶計(jì)步腕帶內(nèi)含3D 運(yùn)動(dòng)傳感器，本身不帶顯示器，需要和手機(jī)同步使用。
圖3.計(jì)步器手表 圖4.脂肪測(cè)量計(jì)步器
圖5.收音機(jī)計(jì)步器 圖6.腕帶計(jì)步器
計(jì)步器的基本功能：時(shí)間顯示、跑表功能、步數(shù)顯示、距離顯示及個(gè)性化步幅設(shè)計(jì)。另外還有自動(dòng)收臺(tái)FM收音機(jī)、目標(biāo)距離、目標(biāo)時(shí)間、響?hù)[提醒功能、自動(dòng)設(shè)置步幅、10000步提示、速度顯示、卡路里功能、手指感應(yīng)心率、自動(dòng)瀏覽數(shù)據(jù)等功能。計(jì)步器是老年朋友的健康伴侶，也是子女表孝心的實(shí)惠健康禮品。您可以按照自由的需要選擇適合您的計(jì)步器。
另外在選擇的時(shí)候還應(yīng)選購(gòu)較為知名的品牌，如今市場(chǎng)上跨國(guó)品牌主要有：美國(guó)acumen（安康盟），日本casio（卡西歐），日本歐姆龍品牌等。大家可以根據(jù)自己的喜好和計(jì)步器本身的功能來(lái)進(jìn)行選擇。一般來(lái)講，除卡西歐的部分型號(hào)外，跨國(guó)品牌計(jì)步器均在我國(guó)尋找OEM廠家代工生產(chǎn)。日系品牌的設(shè)計(jì)也一般外包給國(guó)內(nèi)的公司進(jìn)行。所以，從一般意義上講，各品牌家用計(jì)步器的質(zhì)量差別是微乎其微的。但是，總體來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)品牌的品牌力較弱，鋪貨渠道不充分，成為制約其發(fā)展的最大障礙之一。據(jù)國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械行業(yè)調(diào)查機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，在華北市場(chǎng)和華東市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)計(jì)步器的市場(chǎng)占有率尚不及跨國(guó)品牌的70%。這一方面有消費(fèi)者對(duì)于國(guó)產(chǎn)品牌得不信任感作祟，另一方面是大品牌的渠道優(yōu)勢(shì)。例如歐姆龍和卡西歐在絕大多數(shù)一二線城市，甚至包括一些三線城市的商場(chǎng)、藥店擁有專(zhuān)柜。而國(guó)產(chǎn)品牌里僅有綠森林、康超力在部分一二線城市的商場(chǎng)、藥店擁有專(zhuān)柜。
（未完待續(xù)）
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