基于三轴加速度传感器的计步器的设计

陈蔚

摘要：本文介绍了利用ADXL335三轴加速度传感器组成计步器的设计方法。讲述了ADXL335三轴加速度传感器的特点和使用方法，并从功能、硬件设计以及程序流程等方面介绍了该计步器的设计。采用这种方案的计步器具有操作方便，稳定性高，性能稳定等特点。

关键词：三轴加速度传感器；计步器；数字滤波

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0181-03

近年来随着全民健身意识的增强，人们越来越关注身体的健康。各种强身健体方式中步行是一种科学、安全、时尚又易行的好方法。计步器是一种步行锻炼时有效又方便的计量工具，通过统计步数、距离、速度、时间等数据，可以掌握运动量，估算行走距离，实时监控健身强度，以防运动不足或是运动过量。所以计步器已成为一种日常锻炼中有用的便携工具。

早期的计步器采用振动传感器。其平衡锤在上下振动时平衡被破坏，使一个触电出现通/断动作，再由计数器记录并显示来完成计步功能，也称机械式计步器。误差偏大，但价钱便宜。电子式计步器采用加速度传感器，通过检测人体行走时步态加速度的信号，然后通过相关软件算法计算出人体行走的步数，因而计步更精确，体积更小。本设计的方案是采用三轴加速度传感器捕捉人体行走时三个方向的加速度，通过单片机的计算和分析，计算出人体行走的步数。

1 工作原理

人体迈步过程中，重心会随着人体运动在一定范围内出现规律性的变化。脚蹬地离开地面时，地面的反作用力会使垂直加速度开始增大，身体重心上移，当脚达到最高位置时，脚的垂直速度最小，但垂直加速度最大。当脚向下落时，垂直加速度开始减小，落地时加速度达到最小值。前向加速度由脚与地面的摩擦力产生，加速度最小值对应的是脚离开地面时，最大值对应脚抬最高处。可见加速度变化一个周期就是人体运动的一步。当把加速度传感器随身携带时，传感器的输出电压会随着人体的运动出现规律化的变化。单片机获取传感器输出电压的变化，可计算和显示出人体行走的步数。

2 硬件组成

根据上述工作原理，本设计计步器硬件设计总体结构框图如图1所示。该计步器由PIC16F877单片机，液晶显示模块LCM103和三轴加速度传感器ADXL335构成。传感器采集数据并送单片机处理，处理后的结果送液晶显示。

2.1 ADXL335三轴加速度传感器

本设计采用的是ADI公司ADXL335三轴加速度传感器。是一款小尺寸、高精度、低功耗的IC芯片三轴加速度传感器。它的对外输出X、Y、Z三个模拟电压量，工作电压1.8伏到3.6伏之间。在供电电压为3.3伏时，传感器静态的三轴输出电压为1.5伏，灵敏度为300mV/g。在-55℃到125℃温度范围内，拥有±3g的测量范围。

ADXL335采用先进的MEMS技术。在加速度的作用下，传感器中多晶体硅结构的偏移会导致差动电容器的电容值发生变化。进而导致积分电路中输出的模拟电压值也发生线性变化。其内部结构图如图2所示，XOUT、YOUT、ZOUT输出三个与加速度成比例的模拟电压值。

2.2 ADXL335防噪滤波电容器的设计

根据ADXL335手册说明，通过原理图中的CX、CY、CZ能够给传感器设置一个低通滤波器。由于人行走的速度是有限的，因此在XOUT、YOUT、ZOUT各管脚接了一个0.01μF的电容，对应的带宽为50Hz，可有效限制传感器在测量中的噪声干扰。为了减少电源干扰，将ADXL335电源端外接一个0.1μF去偶电容。其电路如图3所示。

2.3 控制部分和显示部分

本设计的控制部分由单片机完成。单片机选用PIC16F877，该机最大的特点是省电，适合设计便携式设备；35条简单指令集，编程简便；集成多种外设，简化外围电路。PORTA口的RA0管脚连接ADXL335模块的X_OUT脚，RA1管脚连接ADXL335模块的Y_OUT脚，RA2管脚连接ADXL335模块的Z_OUT脚，获取三轴加速度数据。

本设计选用段码式液晶显示屏LCM103显示测距结果。LCM103是10位多功能通用型8段式液晶显示模块，内含两种频率的蜂鸣驱动电路，内置显示RAM，可显示任意字段笔划，低功耗，显示清晰，编程简单，是仪器仪表通用型显示模块。其片选信号与PIC16F877的RB1脚相接，模块数据/指令写入线连RB2，数据输入输出线连RB3。

3 软件设计

系统软件主要完成计步器的数据采集，算法处理和信息输出等功能。三轴加速度传感器采集的竖向、前向、侧向加速度的数据经过数字滤波后变得平滑。为了降低计步器的放置位置对测量结果的影响，本设计将三路滤波后的数据取模得到三轴合一的整体加速度。并且动态设定一个阀值，当采集到的整体加速度正负穿越此阀值一次便记一步。同時每采集一定数据就更新一次阀值，以实现动态检测。通常人体每秒行走0.5步到3步，最多不超过5步。设置合适的时间阀值可排除无效振动。数字滤波子程序如图4所示，数据检测流程图如图5所示。

4 结语

本设计是以ADXL335三轴加速度传感器为核心，以PIC单片机为控制器的应用系统。单片机读取三轴加速度传感器X、Y、Z三轴输出的模拟电压，通过A/D转换，再通过数据处理、算法计算等得到人体迈步数据，最后通过液晶显示出来。采用这种方案的计步器系统具有功耗低、质量轻、成本低、抗振动能力强等特点。

参考文献

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