多功能计步器【文献综述】

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毕业论文文献综述通信工程多功能计步器摘要：本文主要介绍了多功能计步器的设计思路。本类多功能计步器主要用于鞋子，在人们行走中，通过传感器，检测到足底压力得到行走或跑步的步数和路程，同时具有活动能量计算，显示，语音的多功能计步器。设计主要采用AT89S52单片机为核心，采集足底压力信号，然后调理整形，由单片机实现步数，体能消耗的计算及显示。关键词：单片机；足底压力；计步器；能量消耗；一、引言随着社会的发展，人们健康意识的提高，越来越注重自己的健康，跑步成为一种方便而又有效的锻炼方式。但是如何知道自己跑了多少步，多远的路程？计步器可以帮助人们实时掌握锻炼情况。它的主要功能是检测步数,通过步数和步幅可计算行走的路程。步幅信息可通过行走固定的距离如20m来计算或是直接输入，高级的计步器还可以计算人体消耗的热量。但这些计算的主要依据是步数的检测[1][2][3]。二、计步器的设计首先，介绍计步器的工作原理。要实现检测步数，首先要对人走路的姿态有一定了解。人在行走时，脚、腿、腰部，手臂都在运动，它们的运动都会产生相应的状态变化，并且也会有一定的规律。研究表明，通过脚的状态变化，来检测步数是最准确的,但是在设计过程中，由于诸多因素的影响，比如考虑到携带的方便性，还有设计方法及元件的限制，人们只能选择通过腰部的运动来检测步数。在第一代计步器设计中，设计者利用腰部运动以检测步数。人在行走时，腰部有上下的垂直运动，在每步开始时会有一个比较大的力，利用对力的峰值检测可以得到行走的步数，使用过程中，使用者将计步器佩戴在腰间，行走一段路，采集到垂直力的曲线，最后可通过曲线图计算得到行走的步数并显示出来[4]。 第一代计步器，在使用过程中，呈现出了诸多问题，如：一，使用时必须佩戴于腰部，此时用要求，明显造成了很大的不方便。二，由于腰部的运动曲线容易变化，运动时，如果使用者运动幅度较小，计步器比较难采集到精确的运动信号，所以设计者又设计出了代替腰部的振荡计步器，此计步器是佩戴与手腕部，通过人在跑步时，手腕的来回晃动，发送给计步器运动的信号，从而得到运动的步数，以及消耗的能量，此设计最大的优点就是携带方便，较之前的计步器，也较精确，但还存在因为运动幅度不定而导致信号采集不准确的，导致计步结果的不准确的缺点。设计者明白，如果不是通过脚检测步数，在设计计步器时，设计方法或仪器的制作无论多少精确，使用者在使用时，由于不是利用脚的运动检测步数，灵敏度受到的影响较大，计步的准确度一定不高，无法达到希望值。为了弥补传统计步器的不足，设计者设计方向渐渐地转向脚，希望能通过脚检测步数，该计步器主要是安装于鞋部，在人们行走过程中，计步器通过传感器，检测到足底压力，开始采集足底压力信号，然后调理整形，通过AT89S52单片机计算得到步数，计步器还设置单片机可以根据所计算的步数，通过预先输入的参数计算运动能量消耗的程序得到相应步数的能量消耗，并且显示步数，能量消耗，运动时间。该设计方法较第一代计步器，由于是利用足底压力得到信号进行计步，优化了计步和活动能量消耗的计算方法，也提高了运动信号检测的准确度和稳定性[5]。设计者在实现基本的计步功能后，还可利用单片机，优化计步器的功能，以制造出一双完美的计步鞋。每次散步，穿上这种特殊的鞋子去散步，在达到定量的运动效果之后，可利用预先设置的闹钟功能进行提醒，或者也可以设定时间，定时进行提醒，提醒使用者停止散步。也可增加MP3功能，当检测到使用者开始运动时，会自动播放音乐，从而令使用者在运动过程中保持愉悦的心情[6]。然后介绍计步器的设计构架以及工作情况。计步器主要包括：主控51系列单片机，传感器，调理整形电路，显示器等四个模块。在用于鞋部的计步器设计时，单片机的作用是至关重要的。51系列单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，具有1000次擦写周期，非常适合开发新产品使用。在单片机芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得51系列单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。51系列单片机还具有看门狗定时器，定时器/计数器，中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路等功能。另外，51系列单片机可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。在空闲模式下时，CPU将停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。在掉电保护方式下时，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。这一系列的功能，完全有利于计步器的设计功能，能精确地完成计步，能量消耗，语音提示，数字显示以及初始的参数输入等功能[7][8][9]。传感器是将足底压力信号传递给51系列单片机的桥梁，需要一定高质量的灵敏度，不但如此，因为传感器是安装于鞋底，所以还在性能和外形上有另外特殊的要求，具有轻便小巧，性能好，不易受压力影响，不妨碍使用者步行等特点。具有上述特点的传感器首选为压电薄膜传感器，压电薄膜传感器具有性能稳定，使用寿命长，柔性好，强度大等特点，完全满足对于传感器的要求[10][11]。 在调理整形电路方面，由传感器传来的信号需要经过一定的处理才能传递给单片机，所以调理整形电路可将传感器最初的信号经过放大，滤波，然后整形。整形电路的设计元件主要有LM339电压比较器构成，LM339电压比较器是一种低功耗，低失调电压比较器，当两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339电压比较器用在弱信号检测等场合是比较理想的。实现将模拟信号到数字信号的转变[12]。显示器基本要求是轻便小巧，可以显示数字就可以，考虑到视觉方面，LCD1602较适宜[13]。计步器的软件设计直接影响计步器的使用价值，计步，能量消耗的计算，语音等等功能都是通过软件设计实现的。软件部分，我们需要完成单片机对各个模块的整合，控制，还有计步，能量消耗，显示，语音等功能的实现。这些都需要对单片机进行编程才能实现。各个功能之间的切换与联系以及按键的设置为主要，定时器中断时间要算的准确，难度较大的能量消耗的计算公式，公式为：能量消耗（Kcal）=0.43*身高+0.57*体重（千克）+0.26*步频（步/分钟）+0.92*时间（分钟）-108.44。此公式有待实验验证[14]。三、结束语通过对计步器的发展以及运作原理进行简要是概括，并且比较了不同的计步器之间的优缺点，以及经过资料收集，设计了一款携带方便，精确度高，性能强，功能多的计步器，此种计步器适用于多种地方。在“亚健康状态”日趋严重的社会。监测健康的小家电在市场上的热销是有目共睹的，在欧美等发达国家，“日行百步”是公认能保障健康的力量，随身带一个电子计步器督促自己多运动，每天测量自己的运动状况已成为健康时尚，相比之下，我国在这方面的意识在这几年已逐步追上国际的步伐，这大大的促进了中国计步器市场的发展，今后的计步器应当会在功能强大，携带方便，计算准确这些方面寻求突破，可见，探索空间是很大的。我们应该将计步器隐藏于生活中，成为生活的一部分，比如设置于鞋子，衣服，又或者安置于手机，安静，或许还可以安装另外的健康监测程序，比如心率，血压等等。现今，心率计步器，血压计步器，mp3计步器等各种新颖的计步器早已运用于生活中，所以，我们的目标是设计功能更加完善，携带更加方便，测量更加精确的计步器[15][16]。参考文献：[1]戴俊;  电子计步器给您带来健康.健康[2]长乐;  电子计步器——让健身不再盲目.中老年保健[3]杨易华;李裕和;林绍杰;吴效明;岑人经;  基于嵌入式单片机的多功能计步鞋的设计.微计算机信息[4]刘宏,陈永清,李涛.运动营养学.安徽：安徽科学技术出版社. [5]韦启航,陆文莲,傅祖芸等.人体步态分析系统-足底压力测量系统的研制.中国生物医学工程学报.[6]戴剑松,李靖,顾忠科等.步行和日常体力活动能量消耗的推算.体育科学[7]侯振鹏.嵌入式C语言程序设计-使用MCS-51.北京：人民邮电出版社[8]余永权.ATMEL89系列单片机应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.[9]张俊才,葛洪央.基于AT89C51单片机的压力控制系统设计.微计算机信息,[10]林和志,陈军东.零延时RS-485接口电路设计与应用.单片机与嵌入式系统应用,北京:北京航空航天大学出版社[11]何希才.传感器技术及应用.北京:北京航空航天大学出版社.[12]贺秀玲,高焕芝,李芳等.基于AT89S52的串口通信控制LCM显示.微计算机信息[13]夏萌;刘文波;  基于嵌入式系统的LED显示屏设计与实现.佳木斯大学学报[14]蔡忠见;  人体活动量的测量.渝州大学学报(自然科学版)[15]多功能一体机的生活情趣.世界发明[16]戴剑松,李靖,顾忠科,孙飙.运用计步器测量步行之研究北京体育大学学报,