计步器的工作原理和电路

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1、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,

2、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

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

4、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()/125M。RSET 的范围可从 500k2

5、M,这里我们选择 RSET=1.25M,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/(2(32kC(x,y)计算,Cx 选择 0.10F。 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

6、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,

7、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,这样可以有效地排除干 扰

8、影响。 结 语 本文介绍了利用人行走时腰部产生的加速度变化来检测步数的计步器实现方案,利用加速度 传感器 ADXL202 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,具有广阔的应用前景。 摘自：电子世界2004 计步器的摆锤机构计步器的摆锤机构2006 年 发明人: 李鹏生, 申请人: 李鹏生, 实用新型 申请号 : CN200620016922.2一种计步器的摆锤机构，包括游丝 1，由旋转锤面 21 和旋转锤座 22 构成的摆锤主体 2 和 金属导电圈 3，所述导电主体 2 的旋转锤面 21 和旋转锤座 22 是通过连接轴 5，旋转锤面 21 的孔 A211 与旋转

9、锤座 22 的孔 B221 可旋转连接；在旋转锤面 21 上有中孔 A212，在旋 转锤座 22 上有中孔 B222，旋转锤面 21 和旋转锤座 22 通过连接柱 4 活动定位连接；所述 游丝 1 的一端挂在旋转锤面 21 的挂钩 213 上，其另一端挂在旋转锤座 22 的挂钩 B222 上； 所述摆锤主体 2 位于金属导电圈 3 的中央。本实用新型具有摆锤方向不受限制，可以 360 度旋转、并给出计步信号的优点。国际专利分类:G01C 物理 测量；测试 测量距离、水准或者方位；勘测；导航；陀螺仪；摄影测量学或视频测量学 相似文献： - 计步器的摆锤机构 发明人:李鹏生,申请人:李鹏生, 实用

10、新型 中华人民共和国国家知识产权局 2006 年- 多功能计步器 发明人:李鹏生,申请人:李鹏生, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2006 年- 改良的人体计步器 发明人:黄学崇,申请人:超群电子股份有限公司, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2001 年- 摆锤式加速度计用高精度激励放大器电路的混合集成设计 作者:刘成君, 会议 中国电子学会第十四届电子元件学术年会中国电子学会第十四届电子元件学术年会论文集 2006 年- 定位式传感器 发明人:田波, 李祥兴,申请人:湖南省城步苗族自治县电子控制器厂, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 1990 年- 一种强力冲击式

11、气扳机 发明人:林容照,申请人:林容照, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2001 年- 重锤与油膜阻尼器相匹配的大摆臂滑轮机构 发明人:杨永升,申请人:哈尔滨电影机械厂, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2004 年- 用于自动钟表元件的上发条摆锤和装有这样一个上发条摆锤的钟表元件 发明人:V哈尔特,申请人:詹维尔有限公司, 发明专利 中华人民共和国国家知识产权局 1999 年- 液晶显示的计步器 发明人:王泰,申请人:王泰, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 1996 年- 万能攻丝机 发明人:朱建发,申请人:朱建发, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 1990

12、 年- 翻盖式皮带头计步器 发明人:刘以钦,申请人:刘以钦, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2006 年- 摆锤双偏变距平衡组合 发明人:王 玲,王宇辉,申请人:王 玲, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2005 年- 皮带头计步器 发明人:刘以钦,申请人:刘以钦, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2006 年- 一种计步器 发明人:朱培辉,申请人:朱培辉, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2005 年- 波高倾斜一体化传感器 发明人:唐原广,申请人:中国科学院海洋研究所, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2000 年- 轻型单钮四功能电锤 发明人:王

13、文江,申请人:王文江, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2006 年- 激光校准设备和方法 发明人:奥莱克西P瑟奇延科,詹姆斯D马歇尔,罗伯特沃特斯,马库斯博希,罗德缪尔,申请人:布莱克和戴克公司, 发明专利 中华人民共和国国家知识产权局 2005 年- 摆杆式计步器 发明人:毛培程,申请人:北京海弗莱医疗设备有限责任公司, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2002 年- 高精度杠杆度盘秤 发明人:刘兴志,申请人:刘兴志, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 1995 年- 切片机 发明人:陶伟,申请人:陶伟, 实用新型 中华人民共和国国家知识产权局 2004 年年 02

14、期 作者：庞 晶 牟为华 1. 计步器的原理是什么？计步器的原理是什么？ 它里面有一个机械的震子，运动时会产生上下震动，机器通过收集震子运动的频率来计算数值，计算消耗卡路里。计步器和距离计量器的工作原理也是相同的。 2. 计步器的原理计步器的原理 电子记步器主要由振动传感器和电子计数器组成。 人在步行时重心都要有一点上下移动。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，由电子计数器记录并显示就完成了主要功能，其他的热量消耗，路程换算均由电路完成在现今科技已是小儿科。 但是由于每个人走路的姿态、步幅

15、不一样所以除了步数较为准确以外其他的数据并不准确（一般可能是按体重 65 公斤每步 0.7 米这个标准换算的）。 对于步态呈病状（比如脑萎缩、半身不遂）来讲可能连步数也不准确 （振幅不够大、一步两颠等）。 总之对健康人只能做参考，对病人很可能无用。 3. 关于计步器关于计步器 1、 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。