基于加速度传感器为基础的计步器毕业设计.docx

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基于加速度传感器为基础的计步器毕业设计

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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。

总的来说，计步器的开发研制对健康生活极其关键。

它不仅仅是一个计数的机器，更是一个督促运动，与健康密切联系的必需品。

1.2国内外计步器的发展情况

20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。

此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。

加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。

这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。

这种状况直到微机械加速度计（MicroMechanicalAccelerometer，MMA）的问世才发生了改变。

随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。

微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：

体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。

它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。

近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。

我国从20世纪80年代末开始了MEMS技术的研究，包括硅微型压力传感器、微型电机和微型泵。

10多年来研究队伍逐步扩大，本世纪初已形成40多个单位的50多个研究小组，在MEMS传感器方面开展了大量的研究工作，取得了长足的进步。

MEMS研究方向包括：

微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和制动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。

国内公开发表文献表明，我国研制的振动轮式机械陀螺零偏稳定性达到70°/h，随机游走噪声达到30°/。

但由于基础研究的薄弱，技术人员的缺乏，技术和资金投入的不足，我国在各个技术方面与国外发达国家相比还有一定的差距，主要体现在批量生产时性能的稳定性和器件的完好率都有待于提高。

基于加速度传感器的计步器最大的核心问题是它的精确度问题，如何正确统计人行走或者跑步的距离，如何准确计算消耗的卡路里。

在精确度问题上，日本及一些欧洲国家所生产的的计步器较为精确，我国方面多用于基础民用阶段。

但由于机械生产的精度不高，电路集成性不强，导致计步器的便携性弱于国外产品。

精确性的决定条件就是传感器的精确性，加速度传感器的种类很多，发展也很快，目前应用比较比较成熟的有电容式加速度传感器和压阻式加速度传感器。

压阻式加速度传感器是利用硅材料电阻率的变化。

压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低。

电容式加速度传感器是将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量的。

其基本特征是工作性能稳定，温度漂移小。

然而，电容式加速度传感器在将被测加速度转换为对应的电容器电容变化量时，由于加速度惯性力引起电容极板位移的敏感度和速度总是慢于和小于悬臂梁等支承梁上应力变化的敏感度和速度，所以声表面波加速度传感器对被测加速度的敏感度和响应速度要高于和快于电容式等其它类型的加速度传感器。

近年来，开放新型功能材料、研究新型传感技术，已被发达国家列为现代和未来科学研究的技术开放规划中的战略重点。

利用新材料、新原理和新工艺研制出高性能、低成本、智能化、微型化的传感器是研究新型传感器的主要手段和最终目标。

在种类众多的传感器家族中，声表面波是其中比较出色的一员。

1.3计步器的原理及其分类

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。

而采用三轴加速度传感器MMA7455，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。

电子计步器的工作核心就是传感器，一般根据传感器的形式可分为2D计步器和3D计步器。

按功能分又可以分为单功能计步器，计步器手表，脂肪测量计步器等等。

老一代的2D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，也称作机械式计步器。

一般这种2D的电子计步器在使用的时候都需要垂直地面佩带才能感受人体的震动产生数据记录，所记录的数据误差偏大，价格便宜。

当前市面上主流都是使用3D式电子计步器。

3D意味着全方位感受人体震动，也就是不需要再垂直地面佩带，只要带在身边口袋中，手提包内都可以计步。

不管是2D还是3D电子计步器，都是需要录入使用者的个人信息。

毕竟作为专业的计步器与计步软件最大的不同，就是计步器的准确性。

通常需要录入的个人信息最基本的数据就是体重与步距。

体重是用来测算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用来计算步行速度，步行距离的前提。

而网上流行的计步软件只能记录走路的步数，无法测算卡路里的消耗，步行的路程，时间，速度等数据更是因为没有录入步距的情况下导致数据极不准确，无法起到控制运动量的作用。

2D计步器只能存储一组步数，距离，卡路里数据，用户可以复位清除记忆中的数据并重新计步。

3D计步器可以按日期存储多天的步数，距离，卡路里，时间等数据。

计步器每天24点自动将前一天数据储存在记忆体中，并将当天步数等数据自动归零。

用户可以通过MEM按钮回看过去几天的数据。

通常3D计步器存储的数据可以达到6天或者更多。

计步器手表数据存储方式和3D计步器相同。

1.3.1单功能计步器

单功能计步器也可以称作2D计步器，是最简单的计步器。

通常来说单功能计步器只是计算你在运动走路中你所走的步数，这种计步器是最早也是最简单的，普遍采用了游丝摆锤机械式传感器，精度低但成本低，适合大批量生产。

在单功能计步器中没有时间精度，无防水防尘防震，无法数据储存，无速度显示，佩戴时必需垂直，配有皮带夹，普遍是塑料材质，没有秒表时间日历等功能。

图1单功能计步器

1.3.23D计步器

当前市面上主流都是使用3D式电子计步器。

3D意味着全方位感受人体震动，也就是不需要再垂直地面佩带，只要带在身边口袋中，手提包内都可以计步。

不管是2D还是3D电子计步器，都是需要录入使用者的个人信息。

毕竟作为专业的计步器与计步软件最大的不同，就是计步器的准确性。

通常需要录入的个人信息最基本的数据就是体重与步距。

体重是用来测算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用来计算步行速度，步行距离的前提。

而网上流行的计步软件只能记录走路的步数，无法测算卡路里的消耗，步行的路程，时间，速度等数据更是因为没有录入步距的情况下导致数据极不准确，无法起到控制运动量的作用。

在3D计步器中主要是采用加速度传感器，双行显示，可以设计数据储存，显示卡路里，步数，距离等，相对于2D计步器更加的精确，便携，质量好。

图2.3D计步器

1.3.3计步器手表

计步器手表也就是将3D计步器的芯片整合在手表中。

这样用户可以通过佩戴计步器手表来计算步数，跑步速度，跑步距离，卡路里，并且还能拥有手表的日历，闹钟，秒表，计时等等功能

除此之外，还有些其他功能附加，或者制作出不同的佩戴方式，比如脂肪测量计步器，顾名思义，就是计步器整合了脂肪测量仪的功能。

脂肪测量仪是通过手指按住计步器的两个角上的电阻片，4秒钟读出人体的脂肪率。

并计算人体的肥胖程度。

其中人体的年龄，性别，体重等数据和计步器公用。

对一些利用计步器来减肥的人群十分适用。

收音机计步器计步器结合了FM调频收音机的功能。

人们可以一边走路跑步计步，一边欣赏音乐和广播。

计步腕带计步腕带内含3D运动传感器，本身不带显示器，需要和手机同步使用。

图3.计步器手表

图4.脂肪测量计步器

图5.收音机计步器

图6.腕带计步器

计步器的基本功能：

时间显示、跑表功能、步数显示、距离显示及个性化步幅设计。

另外还有自动收台FM收音机、目标距离、目标时间、响闹提醒功能、自动设置步幅、10000步提示、速度显示、卡路里功能、手指感应心率、自动浏览数据等功能。

计步器是老年朋友的健康伴侣，也是子女表孝心的实惠健康礼品。

您可以按照自由的需要选择适合您的计步器。

另外在选择的时候还应选购较为知名的品牌，如今市场上跨国品牌主要有：

美国acumen（安康盟），日本casio（卡西欧），日本欧姆龙品牌等。

大家可以根据自己的喜好和计步器本身的功能来进行选择。

一般来讲，除卡西欧的部分型号外，跨国品牌计步器均在我国寻找OEM厂家代工生产。

日系品牌的设计也一般外包给国内的公司进行。

所以，从一般意义上讲，各品牌家用计步器的质量差别是微乎其微的。

但是，总体来说国内品牌的品牌力较弱，铺货渠道不充分，成为制约其发展的最大障碍之一。

据国内医疗器械行业调查机构统计，在华北市场和华东市场，国内计步器的市场占有率尚不及跨国品牌的70%。

这一方面有消费者对于国产品牌得不信任感作祟，另一方面是大品牌的渠道优势。

例如欧姆龙和卡西欧在绝大多数一二线城市，甚至包括一些三线城市的商场、药店拥有专柜。

而国产品牌里仅有绿森林、康超力在部分一二线城市的商场、药店拥有专柜。

2.计步器系统总体设计结构设计

2.1计步器总体设计

计步器总体上来说由控制器模块，输入模块，输出模块和电源模块组成。

对仿真器进行编程，使单片机作为主控制设备对采集到的传感器信号进行处理，最后通过LCD显示输出。

在其中控制器模块，我采用按键模块，像典型的计步器按键一样，在设计初期设定的按键有开始键，停止键，重新计数键以及单片机模块必须带有的复位键。

输入模块有MMA7455加速度传感器为主，单片机为媒介，在检测出加速度变化时处理计算后输入给单片机。

输入模块的关键在于加速度传感器的精度与是否有现成的模块，而不是需要传感器感触装置本身，因为在电路制作中，存在模块的传感器将大大方便PCB板的制作，只需要搞清它的封装及引脚图就可以清楚且正确的连接。

输出模块中采用LCD液晶显示，它与单片机连接基本上固定的。

在液晶显示中存在一个背景光调节，主要是用一个变阻器接入液晶显示屏的端口，但由于PCB板的大小在设计初期就要本着越小越好，所以该设计可以忽略。

电源模块我打算采用最为简单的电池，在电池盒中放置电池，正负极以电烙铁焊住。

总体方案的设计必须突出简洁，方便，便携等特点，存在集成的地方尽量集成，可以节省电路的地方坚决节省。

图7.计步器系统总体结构

2.2三种计步器的对比

2.2.1计步器的精度与质量

这三种计步器，也就是上述的单功能计步器，3D计步器，计步器手表（包括其他附加功能及特别佩戴方式）。

在精度上，计步器的精度主要取决于它的传感器精度，而单功能计步器主要用的是机械震荡传感器，精度较低，佩戴固定。

而另外两种计步器都是采用加速度传感器，精度较高，佩戴相对随意。

在质量上单功能计步器主要是塑料材质，易损坏。

另外的两种主要采用金属材质，相对坚固。

2.2.2工作性能与价格

在工作噪音方面，都不存在太大的问题，因为本身计步器就是小仪器，驱动装置不存在机械问题，固然没有噪音干扰。

在操作上显然单功能计步器因为其在佩戴上存在先天的短板，固然在真正生活时候操作并不方便。

在按键上三种计步器按键基本没有差别。

在价格上单功能计步器最为便宜，主要是因为它的材料，传感器型号，其他耗材都很基本，很便宜，手表计步器最贵，主要是因为功能全面，耗材多所致。

当然，无论材料变化如何千变万化，在计步器领域，我们日常所用的计步器都不会超过200元，在足够资金的情况下，价格问题可以不加以考虑。

2.2.3耗材更换方面

在耗材方面，主要更换的就是显示屏跟传感器，两者的质量跟价格都不是问题，所以耗材方面我考虑的不多。

况且，在计步器市场的激烈竞争中，商家对耗材的价格都有了基本的共识，价格趋于稳定，不需要考虑市场供求关系的影响。

2.2.4发展趋势

早期的计步器通常利用摆锤原理做为计步技术。

后来发展到用电子感应和加速计技术，这两种技术和之前的摆锤技术相比更准确，更为重要的是，不必像之前那样计步器需要佩带需要和垂直于地面而一般只能带于皮带上，因靠感应身体的震动而计步，可以更多方向的佩带，特别是加速计，更是可以360度任何方向的运作。

所以你可以放在口袋或是挂在脖子上，如果计步器体积够簿小，更是可以放在钱包里面。

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。

总之，计步器的发展趋势就是更加便携，精确，功能多样化。

2.3系统硬件结构方案设计

根据系统总体方案设定可知，我们的模块包括传感器与单片机的输入模块，电源模块，显示模块，按键控制模块。

在方案的设定中，它的变化不大，主要变化来自于按键模块的形式，传感器型号的选择，显示模块的型号选择。

根据系统基本功能进行设计，有以下几种方案以供选择。

设计方案一，其基本功能包括LCD液晶显示，加速度传感器，按键控制模块作用于LCD。

按键电路

图8.方案一系统硬件结构图

在方案一中，我用到了加速度传感器作为信号的接收方，用LCD液晶显示作为输出模块，整体上来说优势是芯片较少，较精确。

设计方案二，其基本功能包括机加速度动传感器，LED数码管显示，AD转化，另外添加了时钟系统。

图9.手表计步器

设计二方案中有加速度传感器实现计步器功能，时钟芯片实现时间显示功能。

本次设计的计步器系统是基于以锻炼为目的的计步器，而方案二的时间显示装置的作用不是很明显，因此在考虑计步器要简单便携，所以只需要设计出计步功能，而在市场上此类计步器的销路最好，综合考虑经济成本，系统设计原则与结构因素，选择设计方案一为本次设计的最终方案。

3.计步器系统硬件电路设计

3.1加速度传感器电路

因为计步器控制系统需要传感器提供电信号，而由加速度传感器模块省略了调理电路和滤波电路，所以在电路设计与制作时较为方便。

本身我们也可以选择振动传感器，而考虑到精确问题，最后选择了加速度传感器。

理论上加速度传感器如果被测物处于匀加速直线运动中应该是加速度传感器有测量值而振动传感器没有，不过实际中基本可以用加速度传感器只要读值不为0即可认为有震动。

3.1.1加速度传感器的选择

由于加速度传感器是电路的核心部分，所以它的选择格外重要，在选择传感器时我们应该注重以下几点。

（1）灵敏度的选择

灵敏度原则上来说是越灵敏越好，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。

最大测量极限要考虑加速度计自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压，估算方法：

最大被测加速度×传感器的电荷/电压灵敏度，以上数值是否超过配套仪器的最大输入电荷/电压值，建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择（兼顾频响、重量），同时，在频响、重量允许的情况下，灵敏度可考虑高些，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。

在兼顾频响、重量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：

土木工程原型和超大型机械结构的振动在0.1g～10g左右，可选3000pC/g～300pC/g的加速度计，机械设备的振动在10g～100g左右，可选择20pC/g～200pC/g的加速度计，冲击可选0.1pC/g～20pC/g左右的加速度计。

（2）频率选择

选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率，有倍频分析要求的加速度计频响应更高。

土木工程是低频，加速度计可选择0.2Hz～1kHz左右，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估计频率，选择0.5Hz～5kHz的加速度计。

冲击测量高频居多。

加速度计的安装方式不同也会改变使用频响（对振动值影响不大），安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。

这里给出同一只KD1005加速度计不同安装方式的使用频率：

螺钉5kHz，环氧或“502”4kHz，磁吸盘1.5kHz，双面胶0.5kHz，由此可见，安装方式对测试频响影响很大，应注意选择。

加速度计的重量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，重量大，使用频率低，这也是选择的技巧。

（3）内部结构

内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式，有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。

中心压缩频响高于剪切型，剪切型的环境适应性好于中心压缩型。

如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所得信号波动小，稳定性好。

内置的概念是将电荷/电压转换放大电路置于加速度计内，成为具有电压输出功能的传感元件。

它可分双电源（四线）及单电源（二线并带偏置的称ICP）两种，下面所指内装电路专指ICP型。

目前，内置电路传感器在国内使用较多的方面是用于机械故障、桩基检测，不少在线监测项目上也在使用该类产品。

ICP传感器的芯线作供电并又是信号输出通道。

内置电路传感器灵敏度的选型计算：

如选用目前最为通用的100mV/g,可测50g以内振动，因为该传感器动态范围±5Vp，如测量100g，则用50mV/g的加速度计，其余以此类推。

内置电路的优势是低价位，抗干扰好，可长线使用，但它的耐高温、可靠性不如电荷输出产品，且动态范围也因输出电压和偏置电压的作用而受到限制。

（5）环境影响

某些测试现场的环境较为恶劣，考虑的因素较多，如防水、高温、安装位置、强磁电场及地回路等，均会给测量带来极大的影响。

防水有两个概念，浅层防水和深层防水，尤以深层防水为难，如三峡工程永久船闸闸门的振动监测，水深近百米，它涉及地回路干扰、高压渗水、导线防护、长期可靠性等诸多问题。

多数厂商给出的温度范围为可用值，而不是高温状况的灵敏度，实际上，高温时灵敏度偏差较大，特殊用户应向厂商索取专用的高温时的灵敏度指标，灵敏度指标是保证测试准确的关键。

加速度计永久安装在现场会受到人为碰撞，应选择工业型产品，在加速度计外加装防护罩，这可同时起绝缘、防尘的作用，对出线方向有要求也应向厂商提出，对于不能触及的部位，可用手持式加速度计（带长探针）。

绝缘、地回路及磁电场辐射：

辐射较强的测试现场，应选择特殊外壳材料的加速度计和专用导线，此类研究国内罕见。

对于多点接地、潮湿等现场，要解决好测试干扰则可用浮地或绝缘型加速度计。

为了克服多点接地产生地回路电流影响测试，可以选用浮地或绝缘传感器。

没有特殊要求且干扰不大的工况，可用绝缘型加速度计。

而永久型监测或干扰大的工况则应采用浮地型。

这二种命名的区别在于绝缘型传感器的外壳为信号地，底座采取绝缘方法，而浮地型产品的外壳为屏蔽层，要采取三线方式。

附加质量：

在振动结构上安装的加速度计的质量只要小于结构自身质量的1/10即可，认为对被测信号无大影响。

3.1.2几种重要的加速度传感器

（1）ADXL335

ADXL335是一种热对流式三轴加速度传感器,经信号调理电压输出,最大测量范围为±2g,X和Y轴的带宽从0.5Hz到1600Hz,Z轴带宽从0.5Hz到550Hz,具有良好的零g偏压稳定性和良好的灵敏度精确度,特别适合于低频、高精度的控制、测量场合。

图10.ADXL335

图11.ADXL335内部结构

（2）MMA7260

MMA7260是美国Freescale公司的一款低成本单芯片三轴高灵敏度加速度传感器，是一种电容式的加速度传感器，融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且具有4种不同的高灵敏度选择模式.

图12.MMA7260

图13.MMA7260内部结构

（3）MMA7455

MMA745是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。

0g偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。

客户可使用指定的0g寄存器和g-Select量程选择对0g偏置进行校准，量程可通过命令选择3个加速度范围（2g/4g/8g）。

MMA745xL系列具备待机模式，使它成为以电池为电源的手持式电子器件的理想选择。

图14.MMA7455

在加速度传感器的选择上我们采取的是成本，功能，性能综合考虑的原则。

对于ADXL335来说精度过高，它一般用于高精度，例如军工等。

对于MMA7260来说它的精度没有ADXL335高，但它具有的多功能切换是多功能智能仪器的不二之选，但是由于计步器只是需要加速度传感器而已，对于使用MMA7260来说，显得过于奢侈了。

而最后的MMA7455，它的精度一般，但它足够计算人们在步行或者跑步时候的频率，而且它的内部电路如信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测等功能齐全，所以综上所述我们选择MMA7455作为本次设计的传感器芯片。

3.1.3MMA7455的工作原理与管脚排列

MMA7455数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的MMA7455L

数字三轴加速度传感器，该模块设计板卡线路经过高电磁兼容设计和优化