本科組低功耗西安郵電學(xué)院基于的MMA7361三軸加速度傳感器的地多功能計(jì)步器項(xiàng)目報(bào)告

1、2011-2012某某儀器C2000與MCU&J新設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目報(bào)告題 目：基于MMA736E軸加速度傳感器的多功能計(jì)，步器學(xué)校：某某郵電學(xué)院指導(dǎo)教師：龐勝利組別：本科組應(yīng)用類別：低功耗應(yīng)用類平臺(tái)：MSP430參賽隊(duì)成員含每人的地址，用于建立人才庫：某某郵電學(xué)院 專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 372127136 .某某郵電學(xué)院專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 303471512 .某某郵電學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 378995197 .視頻文件觀看地址假如未拍攝，請(qǐng)注明：郵寄地址和收件人聯(lián)系方式快遞發(fā)送，請(qǐng)不要使用郵政信箱地址地址：某某省某某市長安區(qū)韋郭路某某郵電學(xué)院:710121收件人：郭建新題 目： 基

2、于MMA736于軸加速度傳感器的多功能計(jì)，步器摘要中英文概述隨著生活水平的提高，社會(huì)各階層的人們對(duì)身體健康尤為關(guān)注。然而健身 的方法數(shù)不勝數(shù)，步行是最好的運(yùn)動(dòng)。健康需要走出來，行走鍛煉一一人類生命 健康的加氧站。步行是一種靜中有動(dòng)、動(dòng)中有靜的健身方式，可以緩解神經(jīng)肌肉 緊X。據(jù)專家測定，當(dāng)煩躁、焦慮的情緒71上心頭時(shí)，以輕快的步伐散步 15分 鐘左右，即可緩解緊X、穩(wěn)定情緒。計(jì)步器功能可以根據(jù)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)情況來分析人體的健康狀況。而人的運(yùn)動(dòng)情況可以通過很多特性來進(jìn)展分析。比如人在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速度。本文介紹了 利用人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度變化來檢測部署的計(jì)步器實(shí)現(xiàn)方案，利用具有體積小， 功耗低，三軸

3、高精度加速傳感器 MMA736來實(shí)現(xiàn)，采集到的加速度數(shù)據(jù)通過適當(dāng) 的算法就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能，進(jìn)而計(jì)算出您的瞬時(shí)速度，走過的總路程和消耗的 卡路里，是您能充分了解自己的身體情況。關(guān)鍵字：計(jì)步器 加速度傳感器 MMA7361 低功耗Based on three accelerometer MMA7361 pany-wide functionalpedometer designAbstractSummarywith the improvement of living standards, all levels of society to healthy body is increasingly co

4、ncerned about people. However the fitness of numerous methods, walking is the best movement. Health should go out, walk exercise-the health of humanlife 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

5、 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 peoples movement can be

6、 through the many features for analysis. In the sports such as aperson can produce the acceleration. This paper describes the use of people moveto detect changes acceleration generated when the deployment of the pedometer implementation scheme, use of the advantages of small size, low power consumpt

7、ion, 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 unders

8、tand their body condition.KEY WORDpSdometer acceleration sensor MMA7361low power consumption1.引言隨著社會(huì)的開展，人們的物質(zhì)生活水平日漸提高，人們也越來越關(guān)注自己的 健康。健康的四大基石：合理膳食，適量運(yùn)動(dòng)，戒煙限酒，心理平衡。我們將重 點(diǎn)介紹怎樣才算是適量運(yùn)動(dòng)，對(duì)于不喜歡運(yùn)動(dòng)的或者是運(yùn)動(dòng)細(xì)胞不興旺的人來 說，鍛煉無非是一種受罪。然而步行無疑是最好的、簡單實(shí)用的方法。對(duì)于步行 這種簡單易行的運(yùn)動(dòng)，但是要是能有一個(gè)優(yōu)秀的伙伴與步行構(gòu)成完美組合，那么我們的步行運(yùn)動(dòng)便會(huì)立竿見影，顯現(xiàn)在健康活動(dòng)中的重要作用，

9、那么我們這個(gè)優(yōu) 秀的伙伴會(huì)是什么呢？這就是我們所開發(fā)的計(jì)步器系統(tǒng) ！計(jì)步器作為一種測量儀器，可以計(jì)算行走的步數(shù)，人所行走的總路程和消耗 的卡路里，所以人們可以以此為依據(jù)定量的制定運(yùn)動(dòng)方案來健身，并根據(jù)運(yùn)行情況來分析人體的健康狀況，因而越發(fā)流行。手持式的電子計(jì)步器是適應(yīng)市場需求 的設(shè)計(jì)，使用起來簡單方便。2.系統(tǒng)方案如圖1所示，該計(jì)步器總共由加速度傳感器、主控 MCU顯示模塊組成傳 感器采集數(shù)據(jù)，通過輸出引腳將表示三周加速度變化的電壓信號(hào)傳輸給單片機(jī)， 通過單片機(jī)內(nèi)部ADC12真塊將電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),將數(shù)據(jù)處理后輸出 液晶顯示。工作流程為：加速度傳感器首先由三軸敏感單元敏感 3個(gè)方向加

10、速度， 然后通過電子感應(yīng)器件將感應(yīng)到的物理量模擬化。再通過xout、yout、zout引腳將電壓傳入單片機(jī)中，分別由單片機(jī)的 A0、A1、A2模擬輸入引腳引入，冉通加速度傳感器XOLltyoutzout:皿出7拓1A0微處理 . 器Al MSP430F149A2過單片機(jī)內(nèi)部ADC12奠塊將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后將結(jié)果由 液晶顯示出來。12864 顯示液 晶傳統(tǒng)的機(jī)械式的計(jì)步器利用人體行走時(shí)的振動(dòng)引起計(jì)步器內(nèi)部簧片或者彈 力小球的振動(dòng)來產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過判斷電子脈沖的方法來達(dá)到計(jì)步 的功能。這種機(jī)械方式的本錢比擬低，但是它的準(zhǔn)確性和靈敏度很低。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)MMA73

11、61QR軸小量程加速度傳感器是檢測物件運(yùn)動(dòng)和方向的傳感器，它根 據(jù)物件運(yùn)動(dòng)和方向改變輸出信號(hào)的電壓值。各軸的信號(hào)在不運(yùn)動(dòng)或不被重力作用 的狀態(tài)下（0g）,其輸出為1.65v。如果沿著某一個(gè)方向活動(dòng)，或者受到重力作用， 輸出電壓就會(huì)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方向與設(shè)定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓。用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器讀取此輸出信號(hào)，就可以檢測其運(yùn)動(dòng)和方向。MMA7361W點(diǎn)如下：? 3mm x 5mm x 1.0mm LGA 14弓唧封裝?低功耗耗:400仙A? 睡眠模式：3仙A? 低工作電壓:2.2V - 3.6V? 高靈敏度（1.5g時(shí)，800mV/g）?快速啟動(dòng)（0.5ms使能響應(yīng)時(shí)間）?自檢功能支持

12、自由落體檢測診斷? 0g檢測支持自由落體保護(hù)?采用低通濾波器進(jìn)展信號(hào)調(diào)理?強(qiáng)健的設(shè)計(jì)，高抗沖擊性? 符合RoHSB準(zhǔn)?環(huán)保產(chǎn)品?低本錢圖2 mma7361功能圖%WTUUiDg Dgbrul圖3 7361引腳圖Top ViewNFCN/CXqUT youtvss v門口g-SeiedOg-DelectNfCSelf TestWCSleepNfC4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件總體設(shè)計(jì) 程序流程圖更新移位存放器的值不同人行走會(huì)有不同加速度大小的輸出，因此軟件中動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)置提 供了一種自適應(yīng)的方法，來滿足不同行人的要求。使用動(dòng)態(tài)閥值來判斷步伐 是否成立old data dynamic threshold n

13、ew data ,于是進(jìn)入測試后 首先進(jìn)展預(yù)采樣，進(jìn)展自適應(yīng)，獲得動(dòng)態(tài)閥值。軟件中有兩個(gè)移位存放器，分別用來存放新的數(shù)據(jù)和舊的數(shù)據(jù)，每次采集 軍更新存放器的值。為防止不同時(shí)間，人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，軟件設(shè)置每隔50個(gè)采樣周期，重 新獲取閥值，繼續(xù)計(jì)數(shù)。在行走時(shí)，實(shí)時(shí)更新步伐數(shù)，速度，里程，和卡路里消耗。算法的實(shí)現(xiàn)在可用于分析跑步或步行的特征中， 我們選擇“加速度作為相關(guān)參數(shù)。 個(gè)體與其相關(guān)軸的運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)分量，分別是前向“滾動(dòng)、豎向“偏航和側(cè)向俯仰，如下列圖。Mma736檢測其三個(gè)軸一一x、 y和z上的加速度。計(jì)步器處于未知方向，因此測量精度不應(yīng)該嚴(yán)重依賴于 運(yùn)動(dòng)軸與加速度計(jì)測量軸之間的關(guān)系。圖4

14、讓我們考慮步行的特性。一個(gè)步伐，我們將其定義為單位步行周期，步行周 期各階段與豎向和前向加速度變化之間有一定的關(guān)系。要實(shí)現(xiàn)檢測步數(shù)首先要對(duì)人走路的姿態(tài)有一定了解。 行走時(shí)，腳、腿、腰部、 手臂都在運(yùn)動(dòng)，他們的運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，并且會(huì)在某點(diǎn)有個(gè)峰值。 從腳的加速度來檢測步數(shù)是最準(zhǔn)確的，但是考慮到攜帶方便，我們選擇利用 腰部的運(yùn)動(dòng)來檢測步數(shù)。如圖5顯示了一名步行者的豎向、前向和側(cè)向加速度對(duì)應(yīng)的 x、y和z軸測 量結(jié)果的典型圖樣。無論如何穿戴計(jì)步器，總有至少一個(gè)軸具有相對(duì)較大的 周期性加速度變化，因此峰值檢測和針對(duì)所有這三個(gè)軸上的加速度的動(dòng)態(tài)閥 值決策算法對(duì)于檢測單位步行或跑步周期至關(guān)重要。

15、圖5加速度曲線圖步伐參數(shù)數(shù)字濾波器：首先，為使信號(hào)波形變得平滑，需要一個(gè)數(shù)字濾波器?？?使用四個(gè)存放器和一個(gè)求和單元，如下列圖。當(dāng)然，可以使用更多存放器以 使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)變慢。圖6DATA IN 動(dòng)態(tài)閥值：系統(tǒng)持續(xù)更新三軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值Max+ Min/2成為“動(dòng)態(tài)閥值、接下來的 50次采樣，利用此閥值判斷個(gè)體是否邁出步伐。由于此閥值每50次采樣更新一次，因此它是動(dòng)態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。步伐邁出的條件定義為：檔加速度曲線跨國動(dòng)態(tài)閥值下方時(shí) old data dynamic threshold new data 。峰值檢

16、測：步伐計(jì)數(shù)器根據(jù)x、V、z三軸中加速度變化最大的一個(gè)軸計(jì) 算步數(shù)，如果加速度變化太小，步伐計(jì)數(shù)器將忽略。步伐計(jì)數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時(shí)顯得太敏感。當(dāng)計(jì)步器因?yàn)椴叫谢蚺懿街獾脑蚨浅Ｑ杆倩蚍浅＞徛恼駝?dòng)時(shí)， 步伐計(jì)數(shù)器也會(huì)認(rèn) 為他是步伐。為了找到真正有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無效振動(dòng)。利用“時(shí) 間窗口和“計(jì)數(shù)規(guī)如此可以解決這個(gè)問題?！皶r(shí)間窗口用于排除無效振動(dòng)。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個(gè)有效步伐的時(shí)間間隔在時(shí)間窗口【0.2s - 2s之內(nèi)，時(shí)間問隔超出該窗口的所有步伐都應(yīng)被排除?！坝?jì)數(shù)規(guī)如此用于確定步伐是否是一個(gè)節(jié)奏模式的一局部。步伐

17、計(jì)數(shù)器有兩個(gè)工作狀態(tài)：搜索規(guī)如此和確認(rèn)規(guī)如此。步伐計(jì)數(shù)器以搜索規(guī)如此模式開 始工作。假設(shè)經(jīng)過四個(gè)連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)如此，那么步伐 計(jì)數(shù)器就會(huì)刷新和顯示結(jié)果，并進(jìn)入“確認(rèn)規(guī)如此工作模式。在這種模式 下工作時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)有效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)更新一次。但是如果發(fā)現(xiàn) 哪怕一個(gè)無效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)返回搜索規(guī)如此模式，重新搜索四個(gè)連 續(xù)有效步伐。距離參數(shù)根據(jù)上述算法計(jì)算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)距離二步數(shù)*每步距離1每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑 步，步長就會(huì)較長。參考設(shè)計(jì)每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因 此，我們使用每2秒技

18、術(shù)到的步數(shù)判斷當(dāng)前跨步長度。表 1顯示了用于判斷 當(dāng)前卡布長度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？绮終度與速度（每2秒步數(shù)）和“舟的關(guān)系速度參數(shù)速度=距離/時(shí)間，而每2秒步數(shù)和跨步長度均可根據(jù)上述算法計(jì)算， 因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。速度=每兩秒步數(shù)*跨步長度/2 （2）卡路里參數(shù)我們無法準(zhǔn)確計(jì)算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)水平和新陳代謝。不過，我們可以使用常規(guī)近似法進(jìn)展 估計(jì)。卡路里消耗與跑步速度的典型關(guān)系?？防顲/kg/h=1.25 * 跑步速度km/h（3）以上所使用的速度參數(shù)單位為 m/s,將km/h轉(zhuǎn)換為m/s可得公式4。卡路里C/kg/h= 1.25 * 速

19、度m/s* 3600/1000 = 4.5 * 速度m/s 4卡路里參數(shù)隨同距離和速度參數(shù)每兩秒更新一次。為了考慮運(yùn)動(dòng)者的體重，我們可將公式4轉(zhuǎn)換為公式5?？防顲/2s= 4.5 * 速度*體重/1800 = 速度* 體重/ 4005如果用戶在步行或跑步之后休息，如此步數(shù)和距離將不變化，速度應(yīng)為0,此時(shí)的卡路里消耗可以利用公式 6計(jì)算休息時(shí)的卡路里消耗約為1 C/kg/h卡路里C/2s= 1 * 體重/18006最后，我們可以將所有兩秒時(shí)間間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗 量。5.系統(tǒng)創(chuàng)新總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處.采用了動(dòng)態(tài)閥值算法；突破了以往的計(jì)步器只能單純的記錄走路的步伐 數(shù)或者跑步的步伐數(shù)，不能準(zhǔn)確，連續(xù)的記錄人走路和跑步的總步數(shù)， 本作品采用了動(dòng)態(tài)閥值算法，使用戶無需切換模式，即可準(zhǔn)確，方便的 記錄人在復(fù)雜環(huán)境下的步數(shù)，瞬時(shí)速度，走過的總路程，消耗的總卡路 里等數(shù)據(jù)。.采用了低功耗高靈敏度的 MMA736加速度傳感器和MSP4305片，使計(jì)步 功能更加準(zhǔn)確，且功耗更低。.采用了時(shí)間窗算法；其能有效的防止誤動(dòng)所引起的誤計(jì)步，保證了計(jì)步 的有效性。.由于受技術(shù)，器件條件等因素所限，我們所制作的產(chǎn)品體積較大，但其 硬件結(jié)構(gòu)簡單，所用元器件很少，其非常有利于集成