健身计步器的设计与实现

苗子蕊 吉丽娜

摘要：為了增加跑步健身运动中计步数值的精确性以及跑步的趣味性，设计了基于红外光电传感器、OLED显示屏、MP3模块以及STM8L嵌入式微处理器的健身跑步计步器系统，并实现了硬件电路和软件程序的功能。该系统通过红外光电传感器的发射端通电连续发射红外光，接收端接收红外红外线并转换成电信号，由单片机采集电信号并计数，结果在显示屏上显示。此外，加入MP3模块实现播放音乐和语音提示功能，增加了系统的娱乐性质。实际测试结果表明，系统能够在不同的步频数值下实现精确的跑步步数计数，满足跑步用户的正常使用。

关键词：健身;跑步;计步器;红外光电;传感器;显示屏;单片机

中图分类号：TP29      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）23-0068-04

Abstract： In order to increase the accuracy of step count value and the interest of running in fitness exercise， a pedometer for fitness running system based on infrared photoelectric sensor， OLED display， MP3 module and STM8L embedded microprocessor is designed， then functions of hardware circuit and software program are realized. In this system， transmitter of infrared photoelectric sensor is electrified to continuously emit infrared light， and the receiver receives infrared light and converts it into electrical signal. The electrical signal is collected and counted by single chip microcomputer， and the result is displayed on the display screen. In addition， MP3 module is added to realize the function of playing music and voice prompt， which increases the entertainment nature of the system. The actual test results show that the system can achieve accurate running step count under different step frequency values， and satisfy the normal use of running users.

Key words： fitness; running; pedometer; infrared photoelectric; sensor; microprocessor

跑步是所有健身运动中较为容易完成的运动之一，对健身的场地和器材要求较低，各个年龄段的健身爱好者均能参与。每天适当的走路步数具有释放工作压力、促进身体血液流动以及增强心肺功能等好处[1]。研究表明，人们在合适的运动步数和步频数值范围内进行跑步运动，能够达到理想的能量消耗和健康锻炼效果[2]。基于这些用户需求，市场上多种健身计步器产品被开发使用，主要包括可穿戴式手环、智能手机App以及运动品牌公司的智能跑鞋[3-4]。基于手环和手机App的计步原理都是基于加速度传感器的算法及改进方法实现[5]，精度较差，而且容易数据作假，电子商务网站例如淘宝网上有专门针对手机跑步的刷步数的摇摆器，且无法实时查看步数数据，需要抬手或者拿出手机查看。基于智能跑步鞋的原理是基于压力传感器的数据采集，通常会通过蓝牙连接手机App客户端进行数据传输，数据需要在厂商开发的App中查看，不是很方便。

基于现有的健身计步器存在的不足，本文设计一种固定在护膝绑带上的智能计步器，通过一侧绑带上的发射光电二极管模块发射红外光线，另外一侧膝盖位置的绑带上固定的红外光电接收阵列模块接收光线，当跑步过程中两腿膝盖交汇时刻，接收端收到发射端的光电信号，微处理器模块根据光电信号统计跑步的步数，在OLED显示屏显示数据，同时控制音频模块播放数字。此外，该智能计步器还具备音乐播放功能，根据用户的需求设置相应按键即可。

1 方案设计

1.1 跑步姿态分析

跑步运动过程中主要是上肢两侧手臂和下肢两条腿在不停地切换摆动，假设脊椎下端和下半身的交叉点位置固定不变，则左右侧膝盖的节点到交叉点位置相当于两个单摆，交错着前后摆动，如图1所示为人体主要关节的简化示意图。

通过观察分析跑步过程中两侧腿重复落地和腾空的姿态发现，在其中一侧脚掌触地之后，另一侧跟着从后侧摆动到前侧的过程中，左右两侧的膝盖关节点内侧位置要交汇相遇一次，如图2所示，第一帧图像运动员左脚着地，右脚跟着往前摆动，到第二帧图像时刻，运动员的右侧膝盖与左侧膝盖内侧会交汇相遇，之后距离拉开，直到第七帧图像右脚着地，这个过程可以记录一次步数。同理，当左脚跟着往前继续摆动往前，左侧膝盖内侧会交汇遇到右侧膝盖节点，一直重复并记录步数。

1.2 系统设计

基于跑步姿态的左右侧膝盖交汇相遇的特点，设计了基于红外光电对射开关原理的计数器装置[6-7]，方案的简要示意图如图3所示，图3中标号1和4代表护膝绑带分别可以套在左右腿的膝盖范围处，其中一侧如标号2的位置是一列红外发光二极管模块，打开控制开关后，不断地向侧方发射红外光线;另一侧标号3处是红外二极管接收模块，接收信号后由单片机系统处理计数功能。红外光电信号收发两端的模块是独立的两套系统，可以从护膝绑带上拆卸下来，以便于浸染汗渍的绑带清洗及循环使用。