本科组_低功耗_西安邮电学院_基于MMA7361三轴加速度传感器的多功能计步器

2011 2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛 项目报告 题 目 基于 MMA7361 三轴加速度传感器的多功能计步器 学校 西安邮电学院 指导教师 庞胜利 组别 本科组 应用类别 低功耗应用类 平台 MSP430 参赛队成员名单 含每人的邮箱地址 用于建立人才库 西安邮电学院 专业 电子信息科学与技术 372127136 西安邮电学院 专业 电子信息科学与技术 303471512 西安邮电学院 专业 电子信息工程 378995197 视频文件观看地址 若未拍摄 请注明 邮寄地址和收件人联系方式 快递发送 请不要使用邮政信箱地址 地址 陕西省西安市长安区韦郭路西安邮电学院 邮编 710121 收件人 郭建新 联系方式题 目 基于基于 MMA7361MMA7361 三轴加速度传感器的多功能计步器三轴加速度传感器的多功能计步器 摘要 中英文 摘要 中英文 概述随着生活水平的提高 社会各阶层的人们对身体健康尤为关注 然而 健身的方法数不胜数 步行是最好的运动 健康需要走出来 行走锻炼 人 类生命健康的加氧站 步行是一种静中有动 动中有静的健身方式 可以缓解 神经肌肉紧张 据专家测定 当烦躁 焦虑的情绪涌上心头时 以轻快的步伐 散步 15 分钟左右 即可缓解紧张 稳定情绪 计步器功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况 而人的运 动情况可以通过很多特性来进行分析 比如人在运动时会产生加速度 本文介 绍了利用人运动时产生加速度变化来检测部署的计步器实现方案 利用具有体 积小 功耗低 三轴高精度加速传感器 MMA7361 来实现 采集到的加速度数 据通过适当的算法就可以实现计步功能 进而计算出您的瞬时速度 走过的总 路程和消耗的卡路里 是您能充分了解自己的身体情况 关键字关键字 计步器 加速度传感器 MMA7361 低功耗 Based on three accelerometer MMA7361 company wide functional pedometer design Abstract Summary with the improvement of living standards all levels of society to healthy body is increasingly concerned about people However the fitness of numerous methods walking is the best movement Health should go out walk exercise the health of human life add oxygen station Walking is a kind of in a static dynamic moving in the static fitness methods can alleviate nerve muscle tension According to expert determination when be agitated anxiety emotions into my mind when with brisk pace for a walk about 15 minutes can relieve tension stable mood Pedometer according to the calculation of the function can people exercise to analyze a healthy condition of body And a people s movement can be through the many features for analysis In the sports such as a person can produce the acceleration This paper describes the use of people move to detect changes acceleration generated when the deployment of the pedometer implementation scheme use of the advantages of small size low power consumption high precision acceleration sensor MMA7361 three axis to realize the collected acceleration data through the appropriate algorithm can achieve plan step function and then calculate your instantaneous speed passes through the total distance and consumption of calories is you can fully understand their body condition KEY WORDS pedometer acceleration sensor MMA7361 low power consumption 1 引言引言 随着社会的发展 人们的物质生活水平日渐提高 人们也越来越关注自己 的健康 健康的四大基石 合理膳食 适量运动 戒烟限酒 心理平衡 我们 将重点介绍怎样才算是适量运动 对于不喜欢运动的或者是运动细胞不发达的 人来说 锻炼无非是一种受罪 然而步行无疑是最好的 简单实用的方法 对 于步行这种简单易行的运动 但是要是能有一个优秀的搭档与步行构成完美组 合 那么我们的步行运动便会立竿见影 显现在健康活动中的重要作用 那么 我们这个优秀的搭档会是什么呢 这就是我们所开发的计步器系统 计步器作为一种测量仪器 可以计算行走的步数 人所行走的总路程和消 耗的卡路里 所以人们可以以此为依据定量的制定运动方案来健身 并根据运 行情况来分析人体的健康状况 因而越发流行 手持式的电子计步器是适应市 场需求的设计 使用起来简单方便 2 系统方案系统方案 如图 1 所示 该计步器总共由加速度传感器 主控 MCU 显示模块组成传 感器采集数据 通过输出引脚将表示三周加速度变化的电压信号传输给单片机 通过单片机内部 ADC12 模块将电压变化信号转变为数字信号 将数据处理后 输出液晶显示 工作流程为 加速度传感器首先由三轴敏感单元敏感 3 个方向 加速度 然后通过电子感应器件将感应到的物理量模拟化 再通过 xout yout zout 引脚将电压传入单片机中 分别由单片机的 A0 A1 A2 模 拟输入引脚引入 再通过单片机内部 ADC12 模块将模拟量转换为数字量 单 片机对数据处理后将结果由液晶显示出来 图 1 传统的机械式的计步器利用人体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 3 系统硬件设计系统硬件设计 MMA7361QR 3 轴小量程加速度传感器是检测物件运动和方向的传感器 它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值 各轴的信号在不运动或不被重 力作用的状态下 0g 其输出为 1 65v 如果沿着某一个方向活动 或者受到重 力作用 输出电压就会根据其运动方向及设定的传感器灵敏度而改变其输出电 压 用单片机的 A D 转换器读取此输出信号 就可以检测其运动和方向 MMA7361 特点如下 3mm x 5mm x 1 0mm LGA 14 引脚封装 低功耗耗 400 A 睡眠模式 3 A 低工作电压 2 2V 3 6V 高灵敏度 1 5g 时 800mV g 快速启动 0 5ms 使能响应时间 自检功能支持自由落体检测诊断 0g 检测支持自由落体保护 采用低通滤波器进行信号调理 强健的设计 高抗冲击性 符合 RoHS 标准 环保产品 低成本 图 2 mma7361 功能图 图 3 7361 引脚图 4 系统软件设计系统软件设计 软件总体设计 程序流程图 初始化 采集数据 判断采集 是否完成 滤波 时间 2 秒 0 通过所记步伐计算 行走距离 速度 消耗卡路里 并通 过液晶显示 采集次数 50 0 通过之前 50 次采集的 数据经过峰值检测 判 断出以哪个轴作为步伐 判断依据 更新移位寄存器的值 判断是否有 4 个有效步伐 计步并更新 步数信息 是 否 否 否 否 是 是 是 不同人行走会有不同加速度大小的输出 因此软件中动态参数的设置提 供了一种自适应的方法 来满足不同行人的要求 使用动态阀值来判断步 伐是否成立 old data dynamic threshold new data 于是进入测试后首先 进行预采样 进行自适应 获得动态阀值 软件中有两个移位寄存器 分别用来存放新的数据和旧的数据 每次采 集军更新寄存器的值 为防止不同时间 人体运动状态不同 软件设置每隔 50 个采样周期 重新获取阀值 继续计数 在行走时 实时更新步伐数 速度 里程 和卡路里消耗 算法的实现 在可用于分析跑步或步行的特征中 我们选择 加速度 作为相关参数 个体 及其相关轴 的运动包括三个分量 分别是前向 滚动 竖 向 偏航 和侧向 俯仰 如图所示 Mma7361 检测其三个轴 x y 和 z 上的加速度 计步器处于未知方向 因此测量精度不应该严 重依赖于运动轴与加速度计测量轴之间的关系 图 4 让我们考虑步行的特性 一个步伐 我们将其定义为单位步行周期 步 行周期各阶段与竖向和前向加速度变化之间有一定的关系 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 他们的运动都会产生相应的加速度 并且会在某点 有个峰值 从脚的加速度来检测步数是最准确的 但是考虑到携带方便 我们选择利用腰部的运动来检测步数 如图 5 显示了一名步行者的竖向 前向和侧向加速度对应的 x y 和 z 轴测量结果的典型图样 无论如何穿戴计步器 总有至少一个轴具有相对 较大的周期性加速度变化 因此峰值检测和针对所有这三个轴上的加速度 的动态阀值决策算法对于检测单位步行或跑步周期至关重要 图 5 加速度曲线图 步伐参数 数字滤波器 首先 为使信号波形变得平滑 需要一个数字滤波器 可 使用四个寄存器和一个求和单元 如图所示 当然 可以使用更多寄存器 以使加速度数据更加平滑 但响应时间会变慢 图 6 动态阀值 系统持续更新三轴加速度的最大值和最小值 每采样 50 次 更新一次 平均值 Max Min 2 成为 动态阀值 接下来的 50 次采 样 利用此阀值判断个体是否迈出步伐 由于此阀值每 50 次采样更新一次 因此它是动态的 这种选择具有自适应性 并且足够快 步伐迈出的条件定义为 档加速度曲线跨国动态阀值下方时 old data dynamic threshold new data 峰值检测 步伐计数器根据 x y z 三轴中加速度变化最大的一个轴计 算步数 如果加速度变化太小 步伐计数器将忽略 步伐计数器利用此算法可以很好地工作 但有时显得太敏感 当计步器 因为步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常缓慢的振动时 步伐计数器 也会认为他是步伐 为了找到真正有节奏的步伐 必须排除这种无效振动 利用 时间窗口 和 计数规则 可以解决这个问题 时间窗口 用于排除无效振动 假设人们最快的跑步速度为每秒 5 步 最慢的步行速度为每 2 秒 1 步 这样 两个有效步伐的时间间隔在时间窗 口 0 2s 2s 之内 时间间隔超出该窗口的所有步伐都应被排除 计数规则 用于确定步伐是否是一个节奏模式的一部分 步伐计数器 有两个工作状态 搜索规则和确认规则 步伐计数器以搜索规则模式开始 工作 假设经过四个连续有效步伐之后 发现存在某种规则 那么步伐计 数器就会刷新和显示结果 并进入 确认规则 工作模式 在这种模式下 工作时 每经过一个有效步伐 步伐计数器就会更新一次 但是如果发现 哪怕一个无效步伐 步伐计数器就会返回搜索规则模式 重新搜索四个连 续有效步伐 距离参数 根据上述算法计算步伐参数之后 我们可以使用公式 1 获得距离参数 距离 步数 每步距离 1 每步距离取决于用户的速度和身高 如果用户身材较高或以较快速度跑 步 步长就会较长 参考设计每 2 秒更新一次距离 速度和卡路里参数 因此 我们使用每 2 秒技术到的步数判断当前跨步长度 表 1 显示了用于 判断当前卡布长度的实验数据 表 1 速度参数 速度 距离 时间 而每 2 秒步数和跨步长度均可根据上述算法计算 因此可以使用公式 2 获得速度参数 速度 每两秒步数 跨步长度 2 2 卡路里参数 我们无法精确计算卡路里的消耗速率 决定其消耗速率的一些因素包括 体重 健身强度 运动水平和新陈代谢 不过 我们可以使用常规近似法 进行估计 卡路里消耗与跑步速度的典型关系 卡路里 C kg h 1 25 跑步速度 km h 3 以上所使用的速度参数单位为 m s 将 km h 转换为 m s 可得公式 4 卡路里 C kg h 1 25 速度 m s 3600 1000 4 5 速度 m s 4 卡路里参数随同距离和速度参数每两秒更新一次 为了考虑运动者的体 重 我们可将公式 4 转换为公式 5 卡路里 C 2s 4 5 速度 体重 1800 速度 体重 400 5 如果用户在步行或跑步之后休息 则步数和距离将不变化 速度应为 0 此时的卡路里消耗可以利用公式 6 计算 休息时的卡路里消耗约为 1 C kg h 卡路里 C 2s 1 体重 1800 6 最后 我们可以将所有两秒时间间隔的卡路里相加 获得总卡路里消耗 量 5 系统创新系统创新 总结系统设计的创新之处 1 采用了动态阀值算法 突破了以往的计步器只能单纯的记录走路的步伐 数或者跑步的步伐数 不能准确 连续的记录人走路和跑步的总步数 本作品采用了动态阀值算法 使用户无需切换模式 即可准确 方便的 记录人在复杂环境下的步数 瞬时速度 走过的总路程 消耗的总卡路 里等数据 2 采用了低功耗高灵敏度的 MMA7361 加速度传感器和 MSP430 芯片 使 计步功能更加准确 且功耗更低 3 采用了时间窗算法 其能有效的防止误动所引起的误计步 保证了计步 的有效性 4 由于受技术 器件条件等因素所限 我们所制作的产品体积较大 但其 硬件结构简单 所用元器件很少 其非常有