發布日期：2022-10-09 點擊率：53
摘要
隨著我們生活水平的不斷提高，社會各階層的人們開始對身體健康尤其的關注。然而健身的方法數不勝數，步行是最好的運動之一。健康需要走出來，行走鍛煉——人類生命健康的加氧站。步行是一種靜中有動、動中有靜的健身方式，可以緩解神經肌肉緊張。據專家實驗得出，當煩躁、焦慮的情緒涌上心頭時，我們以輕快的步伐散步15分鐘左右，即可緩解緊張、穩定情緒。計步器功能可以根據計算人的運動情況來分析人體的健康狀況。而人的運動情況可以通過很多特性來進行分析。比如人在運動時會產生加速度。
本文主要采用了以單片機AT89C52為核心的計步器控制系統，并實現運動計步，是通過人運動時產生加速度變化來實現的，本文利用具有體積小，功耗低，三軸加速度傳感器MMA7455來實現，采集到的加速度數據通過適當的算法就可以實現計步功能，最后通過LCD1602給予顯示。
本設計的特色在于完整的設計出計步器及其控制電路，整個系統具有控制方便，檢測精確，硬件結構簡單，方便攜帶，成本較低等優點。
關鍵詞：單片機；加速度傳感器；液晶顯示
1.緒論
1.1課程研究目的及意義
智能儀器是當代發展最為迅猛的科學技術，在工業領域得到了廣泛的應用。基于儀器儀表智能化的發展趨勢，發展出很多以單片機為基礎的智能儀器產品。在日常生活中，計步器的應用得到了廣泛的認可，計步器最基本的功能就是計步，在你散步甚至跑步的時候能幫你計算總共走了幾步。 除了計步功能，卡路里，距離，收音機和時間也是計步器通常帶有的功能，這些功能都非常普遍。隨著發展的深入，溫度計，高度計、心率計、秒表和氣壓計等很多針對戶外活動的功能也越來越多的應用于計步器。目前，計步器的構成有機械式和電子式兩種。機械式的計步器利用人行走時的振動引起計步器內部簧片或者彈力小球的振動來產生電子脈沖，內部處理器通過判斷電子脈沖的方法來達到計步的功能。這種機械方式的成本比較低，但是它的準確性和靈敏度很低。另一種是基于加速度傳感器的電子式的計步器，可以精確測得人行走時的步態加速度信號。通過微控制器相關算法可以獲得人行走時的步數，這種電子計步器具有功耗低，精確度和靈敏度高等優點。
其中本文討論的基于加速度傳感器為基礎的計步器正好利用了加速度特性來進行分析，行走或跑步過程中人體的多處部位都在運動，會產生相應的加速度，加速度與時間成正弦曲線，并且會在某一點形成峰值，因為通過計算可以計算步數，估算距離。因為其種種優點逐漸成為計步器市場上的代表。
美國醫學專家推薦了一個用走路自測健康狀況的公式：如果你能在10分鐘內走完1000步，說明健康狀況良好；如果能在20分鐘內走完2000步，說明健康狀況優秀；而如果能在30分鐘內走完3000步，那么你的身體狀況與一個青壯年小伙子一樣棒。正因為步行對健康起到如此重要的作用，而又需要比較合理的測出行走的步數，一個小巧方便的計步器是不可或缺的。它是一種健康電子產品，顧名思義就是在你走步的時候幫你計算一共走了多少步，是一個既經濟又科學的小工具。計步器可以幫我們完成每天走步計數目標。
總的來說，計步器的開發研制對健康生活極其關鍵。它不僅僅是一個計數的機器，更是一個督促運動，與健康密切聯系的必需品。
1.2 國內外計步器的發展情況
20 世紀 40 年代初，德國人研制了世界上第一只擺式陀螺加速度計。此后的半個多世紀 以來，由于航空、航海和航天領域對慣性測量元件的需求，各種新型加速度計應運而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。
加速度計面世后一直作為最重要的慣性儀表之一，用在慣性導航和慣性制導系統中，與 海陸空天運載體的自動駕駛及高技術武器的高精度制導聯系在一起受到重視。這時候的加速度計整個都很昂貴，使其他領域對它很少問津。
這種狀況直到微機械加速度計(Micro Mechanical Accelerometer，MMA)的問世才發生 了改變。隨著微機電系統技術的發展，微加速度計制作技術越來越成熟，國內外都將微加速 度計開發作為微機電系統產品化的優先項目。微加速度計與通常的加速度計相比，具有很多 優點：體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性好等。它可以廣泛地運用于航空航天、汽 車工業、工業自動化及機器人等領域，具有廣闊的應用前景。
當前國內在加速度技術上仍沿用傳統的壓電技術，精度停留在 5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影響我國慣導技術的先進性。近年來國內雖然有多個單位MEMS微加速度計進行了研究，但在精度上仍未取得突破，大體上只能達到 10-1g的水平。
我國從 20 世紀 80 年代末開始了 MEMS 技術的研究，包括硅微型壓力傳感器、微型電機和微型泵。10 多年來研究隊伍逐步擴大，本世紀初已形成 40多個單位的 50 多個研究小組， 在 MEMS 傳感器方面開展了大量的研究工作，取得了長足的進步。MEMS研究方向包括：微型慣性器件和慣性測量組合；機械量微型傳感器和制動器；微流量器件和系統；生物傳感器、生物芯片和微操作系統；微型機器人；硅和非硅制造工藝。國內公開發表文獻表明，我國研制的振動輪式機械陀螺零偏穩定性達到 70°/h，隨機游走噪聲達到 30°/。但由于基礎研究的薄弱，技術人員的缺乏，技術和資金投入的不足，我國在各個技術方面與國外發達國家相比還有一定的差距，主要體現在批量生產時性能的穩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步器最大的核心問題是它的精確度問題，如何正確統計人行走或者跑步的距離，如何準確計算消耗的卡路里。在精確度問題上，日本及一些歐洲國家所生產的的計步器較為精確，我國方面多用于基礎民用階段。但由于機械生產的精度不高，電路集成性不強，導致計步器的便攜性弱于國外產品。
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很多，發展也很快，目前應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特性好、測量方法易行、線性度好等優點，其缺點是溫度效應嚴重、靈敏度低。電容式加速度傳感器是將被測加速度轉換成電容的變化來進行加速度測量的。其基本特征是工作性能穩定，溫度漂移小。然而，電容式加速度傳感器在將被測加速度轉換為對應的電容器電容變化量時，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力變化的敏感度和速度，所以聲表面波加速度傳感器對被測加速度的敏感度和響應速度要高于和快于電容式等其它類型的加速度傳感器。近年來，開放新型功能材料、研究新型傳感技術，已被發達國家列為現代和未來科學研究的技術開放規劃中的戰略重點。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。在種類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計步器的原理及其分類
目前，計步器的構成有機械式和電子式兩種。機械式的計步器利用人行走時的振動引起計步器內部簧片或者彈力小球的振動來產生電子脈沖，內部處理器通過判斷電子脈沖的方法來達到計步的功能。這種機械方式的成本比較低，但是它的準確性和靈敏度很低。而采用三軸加速度傳感器MMA7455，可以精確測得人行走時的步態
加速度信號。通過微控制器相關算法可以獲得人行走時的步數，這種電子計步器具有功耗低，精確度和靈敏度高等優點。
電子計步器的工作核心就是傳感器，一般根據傳感器的形式可分為2D計步器和 3D 計步器。 按功能分又可以分為單功能計步器， 計步器手表， 脂肪測量計步器等等。老一代的2D振動傳感器其實就是一個平衡錘在上下振動時平衡被破壞使一個觸點能出現通/斷動作，由電子計數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，也稱作機械式計步器。一般這種2D的電子計步器在使用的時候都需要垂直地面佩帶才能感受人體的震動產生數據記錄，所記錄的數據誤差偏大，價格便宜。當前市面上主流都是使用3D式電子計步器。3D意味著全方位感受人體震動，也就是不需要再垂直地面佩帶，只要帶在身邊口袋中，手提包內都可以計步。不管是2D還是3D電子計步器，都是需要錄入使用者的個人信息。畢竟作為專業的計步器與計步軟件最大的不同，就是計步器的準確性。通常需要錄入的個人信息最基本的數據就是體重與步距。體重是用來測算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用來計算步行速度，步行距離的前提。而網上流行的計步軟件只能記錄走路的步數，無法測算卡路里的消耗，步行的路程，時間，速度等數據更是因為沒有錄入步距的情況下導致數據極不準確，無法起到控制運動量的作用。2D 計步器只能存儲一組步數，距離，卡路里數據，用戶可以復位清除記憶中的數據并重新計步。3D 計步器可以按日期存儲多天的步數，距離，卡路里，時間等數據。計步器每天24點自動將前一天數據儲存在記憶體中，并將當天步數等數據自動歸零。用戶可以通過MEM 按鈕回看過去幾天的數據。通常3D計步器存儲的數據可以達到6天或者更多。計步器手表數據存儲方式和3D 計步器相同。
1.3.1 單功能計步器
單功能計步器也可以稱作2D計步器，是最簡單的計步器。通常來說單功能計步器只是計算你在運動走路中你所走的步數，這種計步器是最早也是最簡單的，普遍采用了游絲擺錘機械式傳感器，精度低但成本低，適合大批量生產。在單功能計步器中沒有時間精度，無防水防塵防震，無法數據儲存，無速度顯示，佩戴時必需垂直，配有皮帶夾，普遍是塑料材質，沒有秒表時間日歷等功能。
圖1 單功能計步器
1.3.2 3D計步器
當前市面上主流都是使用3D式電子計步器。3D意味著全方位感受人體震動，也就是不需要再垂直地面佩帶，只要帶在身邊口袋中，手提包內都可以計步。不管是2D還是3D電子計步器，都是需要錄入使用者的個人信息。畢竟作為專業的計步器與計步軟件最大的不同，就是計步器的準確性。通常需要錄入的個人信息最基本的數據就是體重與步距。體重是用來測算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用來計算步行速度，步行距離的前提。而網上流行的計步軟件只能記錄走路的步數，無法測算卡路里的消耗，步行的路程，時間，速度等數據更是因為沒有錄入步距的情況下導致數據極不準確，無法起到控制運動量的作用。在3D計步器中主要是采用加速度傳感器，雙行顯示，可以設計數據儲存，顯示卡路里，步數，距離等，相對于2D計步器更加的精確，便攜，質量好。
圖2.3D計步器
1.3.3 計步器手表
計步器手表也就是將3D計步器的芯片整合在手表中。這樣用戶可以通過佩戴計步器手表來計算步數，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，計時等等功能
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，比如脂肪測量計步器，顧名思義，就是計步器整合了脂肪測量儀的功能。脂肪測量儀是通過手指按住計步器的兩個角上的電阻片，4秒鐘讀出人體的脂肪率。并計算人體的肥胖程度。其中人體的年齡，性別，體重等數據和計步器公用。對一些利用計步器來減肥的人群十分適用。收音機計步器計步器結合了FM調頻收音機的功能。人們可以一邊走路跑步計步，一邊欣賞音樂和廣播。計步腕帶計步腕帶內含3D 運動傳感器，本身不帶顯示器，需要和手機同步使用。
圖3.計步器手表 圖4.脂肪測量計步器
圖5.收音機計步器 圖6.腕帶計步器
計步器的基本功能：時間顯示、跑表功能、步數顯示、距離顯示及個性化步幅設計。另外還有自動收臺FM收音機、目標距離、目標時間、響鬧提醒功能、自動設置步幅、10000步提示、速度顯示、卡路里功能、手指感應心率、自動瀏覽數據等功能。計步器是老年朋友的健康伴侶，也是子女表孝心的實惠健康禮品。您可以按照自由的需要選擇適合您的計步器。
另外在選擇的時候還應選購較為知名的品牌，如今市場上跨國品牌主要有：美國acumen（安康盟），日本casio（卡西歐），日本歐姆龍品牌等。大家可以根據自己的喜好和計步器本身的功能來進行選擇。一般來講，除卡西歐的部分型號外，跨國品牌計步器均在我國尋找OEM廠家代工生產。日系品牌的設計也一般外包給國內的公司進行。所以，從一般意義上講，各品牌家用計步器的質量差別是微乎其微的。但是，總體來說國內品牌的品牌力較弱，鋪貨渠道不充分，成為制約其發展的最大障礙之一。據國內醫療器械行業調查機構統計，在華北市場和華東市場，國內計步器的市場占有率尚不及跨國品牌的70%。這一方面有消費者對于國產品牌得不信任感作祟，另一方面是大品牌的渠道優勢。例如歐姆龍和卡西歐在絕大多數一二線城市，甚至包括一些三線城市的商場、藥店擁有專柜。而國產品牌里僅有綠森林、康超力在部分一二線城市的商場、藥店擁有專柜。
（未完待續）
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