專利名稱：通用微機電系統(tǒng)計步器及計步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通用微機電系統(tǒng)計步器及計步方法，屬于電子計步技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
計步器是一種監(jiān)測日?；顒恿看笮〉谋O(jiān)控器，可以激勵人們鍛煉身體，增強體質(zhì)。早期的計步器利用加重的機械開關(guān)檢測步伐，并帶有一個簡單的計數(shù)器，這種計步器體積、重量都較大，計步精度不高且容易損壞。隨著單片機技術(shù)的廣泛應用和集成電路(IC)工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，微機電系統(tǒng)(MEMS)這一新興技術(shù)應用到小型化設(shè)備上的條件變的越來越成熟，同時也為實現(xiàn)電子計步器的數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。MEMS屬于多學科交叉的新領(lǐng)域,是融合微電子與精密機械加工的技術(shù)。其目標是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅地提高系統(tǒng)的自動化，智能化和可靠性水平?；贛EMS技術(shù)生產(chǎn)的MEMS器件具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點。MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI) 1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理器(Mixed Signal Processor),稱之為混合信號處理器，其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片機”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有計步器體積大、計步精度不高且容易損壞的問題，提供了一種通用微機電系統(tǒng)計步器及計步方法。本發(fā)明所述通用 微機電系統(tǒng)計步器，它包括單片機、MEMS三軸加速度傳感器和段式液晶顯示器，單片機包括FIR數(shù)字低通濾波模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示控制模塊，MEMS三軸加速度傳感器用于采集被計步者行走時的加速度，MEMS三軸加速度傳感器的加速度信號通過SPI接口輸入給FIR數(shù)字低通濾波模塊，F(xiàn)IR數(shù)字低通濾波模塊的濾波信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊的采集數(shù)據(jù)信號輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊的計步信號輸出端連接顯示控制模塊的計步控制信號輸入端，顯示控制模塊的顯示控制信號輸出端連接段式液晶顯示器的顯示信號輸入端。它還包括電池供電系統(tǒng)和電源監(jiān)測顯示器，電池供電系統(tǒng)用于為單片機、MEMS三軸加速度傳感器和段式液晶顯示器提供工作電源，電池供電系統(tǒng)的電量信號輸出端連接電源監(jiān)測顯示器的電量信號輸入端。單片機的型號為MSP430。MEMS三軸加速度傳感器的型號為LIS3DH。一種基于上述通用微機電系統(tǒng)計步器的計步方法，所述計步方法包括數(shù)據(jù)采集的步驟、峰值檢測的步驟、有效軸檢測的步驟和確定步伐的步驟，其中:數(shù)據(jù)采集的步驟為:單片機通過SPI接口對MEMS三軸加速度傳感器輸出的加速度數(shù)據(jù)進行采集，所述數(shù)據(jù)采集頻率為IOOHz ；峰值檢測的步驟為:設(shè)定檢測周期為tl，在每個檢測周期內(nèi)，對每個采樣周期內(nèi)MEMS三軸加速度傳感器采集的所有數(shù)據(jù)進行比較，比較獲得的數(shù)值最大的數(shù)據(jù)作為該檢測周期的峰值；所述檢測周期tl為I秒；有效軸檢測的步驟為:將MEMS三軸加速度傳感器獲得的三個方向中相對于垂直方向夾角最小的方向確定為有效軸；具體方法為:每個檢測周期內(nèi)峰值檢測結(jié)果中最大的數(shù)據(jù)對應的軸為該檢測周期的有效軸；確定步伐的步驟為:根據(jù)實時加速度數(shù)據(jù)流和閾值進行大小比較確定，所述實時加速度數(shù)據(jù)流由最新的5個加速度數(shù)值組成，當該實時加速度數(shù)據(jù)流中的第一個加速度數(shù)值大于閾值而最后一個加速度數(shù)值小于閾值時，確定步伐有效，計步器加I。本發(fā)明的優(yōu)點:本發(fā)明通過單片機完成信息的采集、濾波、處理和顯示控制，單片機可直接驅(qū)動段式液晶顯示器進行數(shù)據(jù)顯示，因此所述計步器具有電路簡單可靠，續(xù)航超長及實用方便的特點。本發(fā)明能夠長時間可靠運行并能準確記步，具有計步準確及對不同身材、不同行走特點人群的適應性強的特點。


圖1是本發(fā)明所述通用微機電系統(tǒng)計步器的原理框圖；圖2是計步器的檢測原理圖；圖3是一位被計步者正常行走時的加速度變化曲線圖；圖4是另一位被計步者正常行走時的加速度變化曲線圖；圖5是被計步者跑步時的加速度變化曲線圖；；圖6是單片機及其外圍電路原理圖；圖7是型號為LIS3DH的MEMS三軸加速度傳感器電路原理圖；圖8是MEMS三軸加速度傳感器采集的加速度信號濾波前后的對比曲線圖；圖9是數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理的流程圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述通用微機電系統(tǒng)計步器，其特征在于，它包括單片機UMEMS三軸加速度傳感器2和段式液晶顯示器3，單片機I包括FIR數(shù)字低通濾波模塊1-1、數(shù)據(jù)處理模塊1_2和顯示控制模塊1_3，MEMS三軸加速度傳感器2用于采集被計步者行走時的加速度，MEMS三軸加速度傳感器2的加速度信號通過SPI接口輸入給FIR數(shù)字低通濾波模塊1-1，F(xiàn)IR數(shù)字低通濾波模塊1-1的濾波信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊1-2的采集數(shù)據(jù)信號輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊1-2的計步信號輸出端連接顯示控制模塊1-3的計步控制信號輸入端，顯示控制模塊1-3的顯示控制信號輸出端連接段式液晶顯示器3的顯示信號輸入端。本實施方式中，MEMS三軸加速度傳感器2采集的被計步者行走時的加速度信號通過SPI傳輸至FIR數(shù)字低通濾波模塊1-1進行濾波，濾波后的數(shù)據(jù)再由數(shù)據(jù)處理模塊1-2進行處理，顯示控制模塊1-3用于對段式液晶顯示器3進行驅(qū)動及顯示控制。由于MEMS三軸加速度傳感器2的機械噪聲、轉(zhuǎn)換控制電路的電路噪聲等因素，其輸出的數(shù)據(jù)不可避免會摻雜一些高頻成分，如不對其進行濾波處理很容易會使數(shù)據(jù)處理模塊1-2產(chǎn)生錯誤的判斷。因此對MEMS三軸加速度傳感器2輸出的原始數(shù)據(jù)進行濾波處理十分必要。數(shù)據(jù)處理模塊1-2完成對采集的數(shù)據(jù)的峰值的檢測、閾值的自動調(diào)整和比較等。
具體實施方式
二:下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，本實施方式還包括電池供電系統(tǒng)4和電源監(jiān)測顯示器5，電池供電系統(tǒng)4用于為單片機1、MEMS三軸加速度傳感器2和段式液晶顯示器3提供工作電源，電池供電系統(tǒng)4的電量信號輸出端連接電源監(jiān)測顯示器5的電量信號輸入端。電源監(jiān)測顯示器5除用于電池供電系統(tǒng)4的電量狀況顯示，還可監(jiān)測電池供電系統(tǒng)4是否正常工作。
具體實施方式
三:本實施方式對實施方式一或二作進一步說明，本實施方式所述單片機I的型號為MSP430。本實施方式所述單片機I采用TI公司推出的16位超低功耗單片機MSP430F4152，它擁有16KB Flash, 512B RAM和諸多外設(shè)，低功耗模式下電流僅為0.9uA。具有48個I/O口和一個溫度傳感器以及可靈活配置實用的定時器。具有2個支持I2C和SPI總線接口的USART，可與加速度傳感器LIS3DH通信；最多可直接驅(qū)動144段IXD ;并有8路10位AD轉(zhuǎn)換器可對電池電壓進行監(jiān)控。
具體實施方式
四:本實施方式對實施方式一、二或三作進一步說明，本實施方式所述MEMS三軸加速度傳感器2的型號為LIS3DH。本實施方式所述MEMS三軸加速度傳感器2使用ST公司的LIS3DH，LIS3DH是一款超低功耗三軸加速度傳感器，其工作電流最低只有2uA，尺寸只有3X3Xlmm。在±2g/±4g/±8g/± 16g全量程范圍內(nèi)，LIS3DH可提供非常精確的測量數(shù)據(jù)輸出并且有SPI和I2C兩種數(shù)字輸出方式。
具體實施方式
五:下面結(jié)合圖1至圖9說明本實施方式，本實施方式為基于實施方式一所述通用微機電系統(tǒng)計步器的計步方法，所述計步方法包括數(shù)據(jù)采集的步驟、峰值檢測的步驟、有效軸檢測的步驟和確定步伐的步驟，其中:數(shù)據(jù)采集的步驟為:單片機I通過SPI接口對MEMS三軸加速度傳感器2輸出的加速度數(shù)據(jù)進行采集，所述數(shù)據(jù)采集頻率為IOOHz ；峰值檢測的步驟為:設(shè)定檢測周期為tl，在每個檢測周期內(nèi)，對每個采樣周期內(nèi)MEMS三軸加速度傳感器2采集的所有數(shù)據(jù)進行比較，比較獲得的數(shù)值最大的數(shù)據(jù)作為該檢測周期的峰值；所述檢測周期tl為I秒；有效軸檢測的步驟為:將MEMS三軸加速度傳感器2獲得的三個方向中相對于垂直方向夾角最小的方向確定為有效軸；具體方法為:每個檢測周期內(nèi)峰值檢測結(jié)果中最大的數(shù)據(jù)對應的軸為該檢測周期的有效軸；確定步伐的步驟為:根據(jù)實時加速度數(shù)據(jù)流和閾值進行大小比較確定，所述實時加速度數(shù)據(jù)流由最新的5個加速度數(shù)值組成，當該實時加速度數(shù)據(jù)流中的第一個加速度數(shù)值大于閾值而最后一個加速度數(shù)值小于閾值時，確定步伐有效，計步器加I。
所述閾值為相對峰值的比值，最佳取值為0.85倍，閾值=峰值X比例系數(shù)。所述閾值是根據(jù)相對峰值獲得的最合理的比例。該閾值的確定方法采用下述方法:對10位不同身材、年齡的實驗者進行系數(shù)從0.60-0.95、步進為0.05的多組數(shù)據(jù)的實驗，每組數(shù)據(jù)采集一千步，然后進行統(tǒng)計分析，根據(jù)實驗結(jié)果顯示，比例系數(shù)在0.85左右達到最佳。在確定步伐的步驟中，可以加入時間窗的技術(shù)方法來減少誤判斷。圖1所示，計步器的檢測原理主要是根據(jù)人體行走時腰間的垂直移位產(chǎn)生的變化，進而獲得周期性的加速度變化。圖6所示，采用TI公司推出的16位超低功耗單片機MSP430F4152作為計步器的核心處理器。圖7所示，為MEMS三軸加速度傳感器2的電路原理圖，在進行加速度傳感器的電路設(shè)計時將Vdd下Iuf的鉭電容和Vdd I/O下0.1uf的陶瓷電容置于LIS3DH電源引腳附近，以便對加速度傳感器充分去耦，消除電源噪聲。并確保從LIS3DH接地端連接至電源接地端具有低阻抗，因為通過地面的噪聲與Vdd傳播的噪聲具有類似效果。因此分別給Vdd和Vdd I/O施加不同的電源，以盡量減少Vdd電源的數(shù)字時鐘噪聲。FIR數(shù)字低通濾波模塊1-1的單位抽樣響應為有限長，容易實現(xiàn)某種對稱性從而獲得線性相位，并且易于實現(xiàn)，計算時間延遲小，非常適合實時的信號處理。FIR數(shù)字低通濾波模塊1-1可以理解為一個分節(jié)的延時線，把每一節(jié)的輸出加權(quán)累加，得到輸出。FIR濾波器的沖激響應h(n)是有限長的，數(shù)學上M階FIR濾波器可以表示為:
權(quán)利要求
1.一種通用微機電系統(tǒng)計步器，其特征在于，它包括單片機(I)、MEMS三軸加速度傳感器⑵和段式液晶顯示器⑶， 單片機(I)包括FIR數(shù)字低通濾波模塊(1-1)、數(shù)據(jù)處理模塊(1-2)和顯示控制模塊(1_3), MEMS三軸加速度傳感器(2)用于采集被計步者行走時的加速度，MEMS三軸加速度傳感器(2)的加速度信號通過SPI接口輸入給FIR數(shù)字低通濾波模塊(1-1)，F(xiàn)IR數(shù)字低通濾波模塊(1-1)的濾波信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊(1-2)的采集數(shù)據(jù)信號輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊(1-2)的計步信號輸出端連接顯示控制模塊(1-3)的計步控制信號輸入端，顯示控制模塊(1-3)的顯示控制信號輸出端連接段式液晶顯示器(3)的顯示信號輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用微機電系統(tǒng)計步器，其特征在于，它還包括電池供電系統(tǒng)(4)和電源監(jiān)測顯示器(5)，電池供電系統(tǒng)(4)用于為單片機(I)、MEMS三軸加速度傳感器(2)和段式液晶顯示器(3)提供工作電源，電池供電系統(tǒng)(4)的電量信號輸出端連接電源監(jiān)測顯示器(5)的電量信號輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的通用微機電系統(tǒng)計步器，其特征在于，單片機(I)的型號為 MSP430。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通用微機電系統(tǒng)計步器，其特征在于，MEMS三軸加速度傳感器(2)的型號為LIS3DH。
5.一種基于權(quán)利要求1所述通用微機電系統(tǒng)計步器的計步方法，其特征在于，所述計步方法包括數(shù)據(jù)采集的步驟、峰值檢測的步驟、有效軸檢測的步驟和確定步伐的步驟，其中: 數(shù)據(jù)采集的步驟為:單片機(I)通過SPI接口對MEMS三軸加速度傳感器(2)輸出的加速度數(shù)據(jù)進行采集，所述數(shù)據(jù)采集頻率為IOOHz ； 峰值檢測的步驟為:設(shè)定檢測周期為tl，在每個檢測周期內(nèi)，對每個采樣周期內(nèi)MEMS三軸加速度傳感器(2)采集的所有數(shù)據(jù)進行比較，比較獲得的數(shù)值最大的數(shù)據(jù)作為該檢測周期的峰值；所述檢測周期tl為I秒； 有效軸檢測的步驟為:將MEMS三軸加速度傳感器(2)獲得的三個方向中相對于垂直方向夾角最小的方向確定為有效軸；具體方法為: 每個檢測周期內(nèi)峰值檢測結(jié)果中最大的數(shù)據(jù)對應的軸為該檢測周期的有效軸； 確定步伐的步驟為:根據(jù)實時加速度數(shù)據(jù)流和閾值進行大小比較確定，所述實時加速度數(shù)據(jù)流由最新的5個加速度數(shù)值組成，當該實時加速度數(shù)據(jù)流中的第一個加速度數(shù)值大于閾值而最后一個加速度數(shù)值小于閾值時，確定步伐有效，計步器加I。
全文摘要
通用微機電系統(tǒng)計步器及計步方法，屬于電子計步技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有計步器體積大、計步精度不高且容易損壞的問題。它的MEMS三軸加速度傳感器用于采集被計步者行走時的加速度，MEMS三軸加速度傳感器的加速度信號通過SPI接口輸入給FIR數(shù)字低通濾波模塊，F(xiàn)IR數(shù)字低通濾波模塊的濾波信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理模塊的采集數(shù)據(jù)信號輸入端，數(shù)據(jù)處理模塊的計步信號輸出端連接顯示控制模塊的計步控制信號輸入端，顯示控制模塊的顯示控制信號輸出端連接段式液晶顯示器的顯示信號輸入端；所述計步方法包括數(shù)據(jù)采集的步驟、峰值檢測的步驟、有效軸檢測的步驟和確定步伐的步驟。本發(fā)明用于計步。
文檔編號G01C22/00GK103148864SQ20131011600
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者高偉, 李海軍, 王國臣, 陳世同, 王罡, 于強, 夏秀瑋 申請人:哈爾濱工程大學