智能计步器研究与设计

论文总字数：16040字

目 录

1. 绪论 5

1.1 计步器研究的意义 5

1.2 计步器研究的国内外现状 5

1.3 本设计的主要任务与本文内容结构安排 6

2. 系统算法设计与工作原理 6

2.1 计步器计步原理 6

2.1.1人体步行模型 6

2.1.2人体步数检测方法 7

2.2 计算步行消耗热量算法 9

2.3 其他功能原理 10

3. 系统总体设计与硬件设计 10

3.1 系统总体设计 10

3.2 芯片的选用及外围电路 11

3.2.1 STM32F103RBT6简介 11

3.2.2外围电路设计 13

3.3 加速度传感器的选用及其与单片机连接电路 14

3.3.1传感器的选择 14

3.3.2 ADXL345介绍 15

3.3.3 ADXL345与单片机连接设计 17

3.4 显示屏的选用及与单片机接口电路 18

3.4.1 OLED显示屏简介 18

3.4.2 OLED显示屏与单片机的连接 19

3.5 按键电路设计 19

3.6 电源电路设计 20

3.7 系统整体原理图 20

4. 软件设计 21

4.1 程序概述 21

4.2 主程序设计 21

4.3 步数检测子程序设计 22

4.4 热量计算子程序 23

4.5 按键子程序 24

4.6 其他子程序; 26

5. 成果与总结展望 26

5.1 设计的最终成果 26

5.2 总结 26

5.3 展望 27

参考文献 28

致谢 28

智能计步器研究与设计

陶昕宇

，China

Abstract：This paper studies and designs a kind of pedometer based on stm32 , which used to implement the plan step, display walking time, calculate and display the speed,distance and the quantity of heat .This article focuses on the algorithm design of pedometer, mainly gait detection algorithm design, energy consumption algorithm design;Hardware design, take the stm32 minimum system connected to ADXL45 triaxial acceleration sensor, USES the set of keys to adjust step;Finally realizes the step function.

Key words： stm32; pedometer；acceleration sensor

绪论

计步器研究的意义

1978年以来，我国人民在中国共产党的带领下，生活水平显著提高。这在让我们生活的越来越舒适的同时，也为我们的身体带来了一些安全隐患。例如，大部分居民都能满足自己的衣食住行需求，人们每天甚至每顿饮食都离不开肉类。况且，对于年轻人来说，在如今这个快节奏的社会，很多年轻人没有时间自己下厨而选择去饭店或者是点外卖，这无疑提高了自身油脂的摄入量。而快节奏的生活又迫使人们没有时间或是不想特意去健身房之类的地方锻炼身体；对于中老年人来说，高血压，高血脂，心脑血管病等问题困扰了越来越多的人，剧烈运动显然不适合他们。在这种情况下，步行锻炼无疑成了最好的选择。

研究表明，步行具有很多优点，例如，能够增强记忆力，疏通经络，放松脉搏，促进心血管系统不断地向全身各个部位输送新鲜的血液及氧气，增强全身肌肉特别是心肌的功能。 除此之外，步行还可以增强肺活量，减少便秘。每天步行对足部的影响无疑是巨大的，步行大大地锻炼了足部肌肉，有利于保护足部以防止其日后的劳损。对于老年人来说，每天适当的步行能降低血压血脂，降低患心脑系统疾病的风险，对身体有很大好处。对于想要保持体型的年轻人来说，步行减肥易于实施且难度较低，更容易坚持从而达到预期效果。

虽然步行好处巨大，但是，任何事物都讲究适度，过犹不及，过度的步行产生的危害也是不容忽视的。步行过量，最常见的危害就是四肢无力，好几天都无法回复正常体力，还有就是肌肉关节疼痛，膝关节磨损，更严重的会导致头痛心慌，头晕目眩，这时，需要及时到医院就诊。对于青壮年，每天8000到10000步是合适的，而对于老年人，一天走3000到5000步就够了。我们如何能知道自己每天走的步数？计步器的出现很好的解决了这个问题。计步器能够显示我们走的步数，帮助我们完成一天的锻炼计划。在这个越来越注重养生的时代，计步器的存在也越来越有意义。

计步器研究的国内外现状

最早时，是一位名为仑那德·达芬奇的科学家提出了计步器的构想。但直到150多年以后，最早存在于历史记录中的计步器才在德国出现。早期的计步器是基于一维振动传感器，这种传感器利用一维方向上的运动来控制步数测量，结构简单，但缺点很大，对佩戴环境要求高，易受干扰，且灵敏度不变现在已经基本淘汰。

目前，科学技术飞速发展，计步器的设计完成了从一维机械振动传感器到三轴加速度传感器的转变。三轴加速度传感器能检测在运动过程中人的X轴（前向轴），Y轴（侧向轴），Z轴（垂直轴）三个方向上的加速度，便于分析。同时，应用三轴加速度传感器构成的计步器不仅更为轻便，还有着超低功耗，高集成度等优点。国内外有许多知名的计步器品牌，例如，omron,citizen,绿森林，康都,松下等，价格也不贵，一般在180到400不等。现今的计步器不仅仅拥有计步的功能，还可以显示时间，记录消耗的卡路里，记录行走距离，检测心率等。总的来说，计步器正在逐步变得更小型，更长久，更多功能，更高精度。

本设计的主要任务与本文内容结构安排

本文中设计的计步器最终想要实现的功能除了主要功能计步外，还会显示步行的速度，时间，距离以及测试者（拿着计步器的人）所消耗的热量。本文结构安排如下：

第一章：介绍计步器研究的意义，国内外发展现状，及本文结构。

第二章：计步器算法研究。介绍人体步行模型和步数检测的算法，步行时间，速度，距离和消耗卡路里的计算原理。

第三章：计步器硬件的选用及相应电路图连接。

第四章：软件程序设计，各程序功能及流程图。

第五章：设计结果与总结

系统算法设计与工作原理

计步器计步原理

计步算法是利用相应的软件程序和三轴加速度传感器在分析人体步行特征的基础上实现步态的计算。人步行时的行为特征复杂而多变，但是我们可以通过提取其中共同的运动特征来作为步数检测的依据。下面将介绍人体运动的模型及步数检测方法。

2.1.1人体步行模型

人体步行时会产生三个方向的加速度分量，分别是前向，侧向和竖向。但是由于加速度传感器的佩戴位置不一，导致实际三轴加速的的X,Y,Z轴与人步行的三个方向，前向，侧向，竖向并不完全相对应。所以，三轴加速度传感器实际测量的加速度值是人体三个方向上运动加速度在X,Y,Z轴上的投影，但这对步数检测的影响不大。图1为人体运动的三个分量。

人体步行运动的三个方向分量

人体在行走过程中，竖向和前向的加速度会表现出周期性变化，我们将一个完整周期从开始到结束的时间称之为步行周期，在一个步行周期里，每当人靠后的那只脚要收回时，前脚基本保持不动，于是整体的竖向加速度增加，当后脚越来越接近地面时，垂直加速度也随之减小。在下一个迈步时又开始增加，呈周期性变化，而横向加速度则正好相反，如图2所示。

一个步行周期内横向和竖向加速度的变化

在步行的过程中，前向和竖向的加速度表现出正弦曲线的形式，这就为我们采样计步提供了可行性方案。

2.1.2人体步数检测方法

检测步数的方法主要有峰值检测法和动态阈值检测法。峰值检测是在拐点处即正弦波的最大值或最小值处检测步数，而动态阈值法是从波形的下降区域判定。下面将介绍这两种算法。

（1）峰值检测法

由2.1节分析可知，人体运动时加速度的变化是有规律的且近似于正弦变化，于是，我们就可以通过检测加速度的峰值从而来计算运动的步数。峰值查找一般通过将相邻的两次采样数据作差，上升区间其值为正，下降区间其值为负，所以，寻找斜率由正到负的转折点即峰值，从而进行步数的计算。

这种方法要求采样数据所得的正弦波信号非常平滑，否则容易造成误差。但在实际检测中，不可避免的会产生干扰，任何干扰的产生都会导致单片机误判其为峰值，使查找的峰值往往大于真实值，为步数计算带来干扰，影响其检测步数的准确性。

（2）动态阈值法

动态阈值判断步数的方法如图3所示，先设定一个动态精度，当采样到一个新的加速度值（data）时，将data与data_new相减取绝对值data_result,将其与预先设定的动态精度值相比较，当data_result大于或等于动态精度时，将data_result的值移入data_new，data_new的值无条件转入data_old。否则，data_new保持不变，同时，动态阈值设定为每采样50次计算一次，其值为最大值和最小值和的二分之一。动态阈值法判定的区域是在正弦波的下降区间，当动态阈值的大小处于data_new和data_old之间时，即data_newlt;动态阈值lt;data_old时，就判定为迈出了一个步伐。如图4.

是

采集data

是否不小于动态精度

舍弃

是

是否包含动态阈值

结束

输出步数

开始

动态阈值计步流程

动态阈值计步原理

计算步行消耗热量算法

计算热量消耗的算法有好几种，下面将一一介绍。

（1）比较传统的一种办法是先应用 K4b2 心肺功能仪测量人每分钟的能总能耗 （energy expenditure，可简写为EE），之后根据 Harris-Benedict 公式计算人静止不动时的热量消耗（简写为REE），具体公式如下：

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16040字

相关图片展示：