陸婷

摘要：如今，我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正在飛速增長(zhǎng)，人們的生活水平也不斷改善，更多的人們開始關(guān)注自身的健康狀態(tài)。步行，作為一種方便的健身方式變得越來(lái)越流行。因此，計(jì)步器作為一種健康鍛煉的技術(shù)支持設(shè)備被開發(fā)出來(lái)。本文采用紅外傳感器代替加速度傳感器制作計(jì)步器。通過(guò)紅外計(jì)數(shù)原理，使用紅外傳感器以及單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了紅外計(jì)步器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：計(jì)步器； 加速度傳感器； 紅外反射傳感器； 液晶顯示器

中圖分類號(hào)：TN722.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）05-0198-04

1 紅外計(jì)步器的調(diào)查概況

1.1 設(shè)計(jì)背景

如今，我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正在飛速增長(zhǎng)，人們的生活水平也不斷改善，更多的人們開始關(guān)注自身的健康狀態(tài)。步行，作為一種方便的健身方式變得越來(lái)越流行。但是，我們?nèi)绾伟盐彰刻煨凶叩木嚯x和了解步行所消耗的能量呢？畢竟掌握好鍛煉時(shí)間、消耗能量和健康狀況的平衡才是最重要的。因此，計(jì)步器作為一種健康鍛煉的技術(shù)支持設(shè)備被開發(fā)出來(lái)。

在做此設(shè)計(jì)之前，我們做了很多相關(guān)調(diào)查，如：每人每天應(yīng)該做多少鍛煉，每天應(yīng)該消耗多少能量才比較健康。結(jié)果是：1500卡路里。當(dāng)然，這個(gè)數(shù)據(jù)因人而異，但我們可以精確的算出人們應(yīng)該消耗的卡路里數(shù)量。

有了這些式子，我們就很容易通過(guò)計(jì)步來(lái)算出每個(gè)人在步行鍛煉時(shí)所消耗的能量了。這就是我們的主要設(shè)計(jì)思路。

1.2 發(fā)展?fàn)顩r和通用技術(shù)

目前，為迎合市場(chǎng)需求，各種各樣的計(jì)步器紛紛涌現(xiàn)在市場(chǎng)上，它們當(dāng)中更多是利用加速度傳感器設(shè)計(jì)的。在智能手機(jī)全面占領(lǐng)市場(chǎng)之后，三軸加速度傳感器廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)中，也給手機(jī)計(jì)步器的出現(xiàn)帶來(lái)了契機(jī)。計(jì)步器開始作為在人們的日常生活中的娛樂健身項(xiàng)目普及。

1.2.1 加速度傳感器計(jì)步器的設(shè)計(jì)原理

人們行走過(guò)程中，身體的每個(gè)部位都會(huì)產(chǎn)生變化的加速度，為了簡(jiǎn)化探究的過(guò)程，設(shè)計(jì)者通常選擇步行時(shí)在腰間產(chǎn)生的一個(gè)垂直加速度。這樣選擇的理由當(dāng)然是因?yàn)樾凶叩娜祟愌g的運(yùn)動(dòng)過(guò)程最為簡(jiǎn)單，此外，與其他部位的加速度相比，腰間的加速度也是最大的。

加速度傳感器可以將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行研究，從而使單片機(jī)讀出電信號(hào)產(chǎn)生的峰值，并以采集的峰值信號(hào)為計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)步。

1.2.2 加速度傳感計(jì)步器的缺陷

加速度傳感計(jì)步是一種非常有效的計(jì)步器設(shè)計(jì)方法，所以市面上出售的大多計(jì)步器都是采用此種方式來(lái)設(shè)計(jì)制作的。然而，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷是我們改良設(shè)備的首要因素，加速度傳感計(jì)步器的設(shè)計(jì)缺陷表現(xiàn)在，當(dāng)人們的鍛煉過(guò)程不局限于步行時(shí)，對(duì)于小跑和上下樓梯加速度傳感器都不能很好地識(shí)別，這就使得計(jì)步器的計(jì)步過(guò)程出現(xiàn)很大的誤差。

加速度傳感器本身的速度-電信號(hào)轉(zhuǎn)化就是基于一定范圍的，當(dāng)物體加速度超過(guò)傳感器的轉(zhuǎn)化范圍，或者精度超過(guò)傳感器本身的識(shí)別范圍，都會(huì)給設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品帶來(lái)運(yùn)行的誤差。當(dāng)處理器或者單片機(jī)試著改變輸入TTL中的峰峰值信號(hào)時(shí)，設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)問題使我們無(wú)法得到正確的結(jié)果。

步行是一種三維運(yùn)動(dòng)模式，也是一種隨機(jī)的加速狀態(tài)，這使得輸出的加速度轉(zhuǎn)化圖形不可能是標(biāo)準(zhǔn)的峰-峰狀態(tài)，它會(huì)產(chǎn)生很多略小的峰值，這就給我們輸出準(zhǔn)確步數(shù)帶來(lái)了困難。

1.3 改良的計(jì)步器設(shè)計(jì)思路和主要方法

為改良加速度傳感計(jì)步器的計(jì)數(shù)精度，我們嘗試設(shè)計(jì)一種新的基于紅外技術(shù)的計(jì)步器。通過(guò)觀察300多人行走的特征，我們發(fā)現(xiàn)人類行走過(guò)程運(yùn)動(dòng)幅度最大的部位是腳上，我們決定以此為設(shè)計(jì)紅外計(jì)步器的主要依據(jù)。在我們行走的時(shí)候，我們可以停止揮動(dòng)手臂或者走得很慢來(lái)降低加速度傳感器所需要的加速度強(qiáng)度，但是我們不可能停下腳步。另外，我們沒走一步，必定會(huì)有一個(gè)腳步交錯(cuò)的過(guò)程。所以，我們以此運(yùn)動(dòng)規(guī)律為主要的設(shè)計(jì)依據(jù)，借助紅外計(jì)數(shù)技術(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)步器的設(shè)計(jì)。更重要的是，這樣的設(shè)計(jì)思路具有不會(huì)受到運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)方向影響的突出優(yōu)點(diǎn)，并且人們行走時(shí)的腳步交錯(cuò)也不易受到外界其他障礙物的干擾。

1.3.1三種不同的光電探測(cè)傳感器

我們可以發(fā)現(xiàn)，在我們的設(shè)計(jì)中最重要的是能夠?qū)⒉綌?shù)信息轉(zhuǎn)變成光信號(hào)。然后便可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并用單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)分析了。因此，我們需要找到合適的紅外傳感器，即光電探測(cè)傳感器。它是一種探測(cè)距離的紅外傳感器，有三種功能類型：直射、回射和漫射。

直射功能的接收器位于發(fā)射器直線傳播方向。在這種模型下，物體在光線被阻擋的時(shí)候被探測(cè)出。

漫射光電探測(cè)傳感器發(fā)射和接收光信號(hào)是使用同一個(gè)光電探測(cè)器，當(dāng)發(fā)射紅外光遇到障礙被反射后，探測(cè)器可直接接收反射光。

回射光電探測(cè)傳感器接收的發(fā)射光必須是被物體并反射的，在這種類型的探測(cè)器中，物體被探測(cè)到的精度大于物體未遮擋光線即沒有被探測(cè)到的情況。

1.3.2 設(shè)備分析

考慮到人們步行時(shí)兩腿間距較小，我們不能使用漫射類型的光電探測(cè)傳感器。腿的寬度大約是10cm，但步行時(shí)兩腿間距離大約30cm。如果我們用漫射類型的光電探測(cè)傳感器，它雖然可以探測(cè)到兩腿交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)但卻無(wú)法計(jì)數(shù)。直射類型的探測(cè)器看似很適合用作紅外計(jì)步器，但它的精度要求太高而不便于使用。所以我們選擇使用回射型的光電探測(cè)傳感器。

為完成這個(gè)任務(wù)，我們將設(shè)計(jì)的整個(gè)計(jì)劃分為五部分。首先，我們用兩周的時(shí)間試著完成紅外傳感器控制的計(jì)數(shù)器。這一環(huán)節(jié)最重要的部分是光電開關(guān)。然后我們用液晶顯示器顯示計(jì)數(shù)結(jié)果。我們將用單片機(jī)控制這個(gè)過(guò)程，將模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變并處理該數(shù)字信號(hào)使之實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。在結(jié)束設(shè)計(jì)之前，我們?cè)儆脦滋斓臅r(shí)間來(lái)完善整個(gè)控制系統(tǒng)，并作出總結(jié)。

1.4 設(shè)計(jì)意義

在高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中和生活的高壓下，健康問題對(duì)我們?cè)絹?lái)越重要。只有健康才能使我們有足夠的能量與困難做斗爭(zhēng)、有機(jī)會(huì)享受生活?？梢哉f(shuō)是這樣的大環(huán)境創(chuàng)造了人們對(duì)高科技的需求，也可以說(shuō)我們的設(shè)計(jì)更有利于人們?nèi)リP(guān)注自身的生活質(zhì)量。

另一方面，我們希望能夠用這樣的設(shè)計(jì)去證明，我們可以用大學(xué)中所學(xué)的知識(shí)嘗試對(duì)社會(huì)作出一定的貢獻(xiàn)。

2 紅外計(jì)步器的設(shè)計(jì)規(guī)劃

2.1 當(dāng)今紅外計(jì)數(shù)器的技術(shù)發(fā)展

目前主要的紅外計(jì)數(shù)技術(shù)有兩個(gè)不同的類型。一種是主動(dòng)型，一種是被動(dòng)型。兩種方法都是基于光感應(yīng)電阻。由于光感應(yīng)電阻的阻值取決于光照強(qiáng)度，而物體的遮擋影響了光照強(qiáng)度。我們可以利用這樣的性質(zhì)來(lái)判斷是否有物體遮擋或者有多少物體。此外，我們很容易知道電阻的組織對(duì)電信號(hào)的影響。

2.1.1 三種主要的紅外計(jì)數(shù)器

圖2所示為第一種紅外計(jì)數(shù)器原理框圖。首先通過(guò)專用芯片探測(cè)計(jì)數(shù)脈沖，然后轉(zhuǎn)化信號(hào)來(lái)控制控制部件AT89C2051單片機(jī)。在編程過(guò)程中，我們控制、分析信號(hào)。PS7219是一種液晶顯示芯片，用該芯片我們可以簡(jiǎn)單地將我們所需數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上。X2504P是一種保護(hù)芯片，主要用來(lái)保護(hù)電源電壓，保證電路的可用性。W7805是用來(lái)產(chǎn)生恒定電流的芯片。

圖4所示為第三種紅外計(jì)數(shù)器原理框圖。其中，紅外發(fā)射電路由主要元件NE555連接，紅外接收電路的主要設(shè)備為L(zhǎng)M567。這兩種芯片都是在產(chǎn)生紅外波以及紅外探測(cè)電路中常用的芯片。然后，我們將計(jì)數(shù)脈沖傳輸給控制元件AT89C2051單片機(jī)。編程后我們便可以將數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器上。

2.1.2 紅外計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)的方法選擇

根據(jù)以上三種方法的對(duì)比，毫無(wú)疑問類型一是最優(yōu)的方法，他能夠顯示最精確的計(jì)數(shù)結(jié)果并且電路狀態(tài)最為穩(wěn)定。但是這種紅外計(jì)數(shù)器價(jià)格太貴，作為紅外計(jì)步器的設(shè)計(jì)并不需要精度那么高的紅外計(jì)數(shù)器做支撐。

第二種方法與第一種相反，它價(jià)格便宜但是系統(tǒng)不穩(wěn)定。信號(hào)的發(fā)生很容易被改變。這一弱點(diǎn)表現(xiàn)在設(shè)計(jì)中沒有控制電源的組件，所以如果電源電壓不穩(wěn)定，系統(tǒng)很容易崩潰。

最后一種方法剛好做了折中，它也是我們選擇設(shè)計(jì)我們產(chǎn)品的方法。精度上它足夠用作步數(shù)的檢測(cè)，也并不像第一種設(shè)計(jì)方案價(jià)格那么高。更重要的是，各種屬性功能都是可用的對(duì)于紅外計(jì)步器的設(shè)計(jì)都是可用的。

2.2 紅外計(jì)步器的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)各種對(duì)比分析之后，我們制定出關(guān)于整體設(shè)計(jì)的全面方案。首先，我們應(yīng)該確認(rèn)我們的設(shè)計(jì)需求。

a） 紅外計(jì)步器應(yīng)該做的小巧便攜并且易于使用。設(shè)備的所有部分 都要可以戴在腿上。

b） 計(jì)步器可識(shí)別的距離要合適，這樣它才可以適用于不同身高和步長(zhǎng)的人群，穿戴在不同質(zhì)地的褲子上。

c） 步數(shù)需要顯示在液晶顯示器上。

d） 整個(gè)系統(tǒng)要穩(wěn)定并且制作成本要盡可能低。

考慮到所有以上需求，我們選擇使用漫反射類型的光電管來(lái)監(jiān)測(cè)步行過(guò)程，然后將紅外傳感器接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換到單片機(jī)。之后，我們分析接收的信號(hào)，對(duì)信號(hào)處理得到步數(shù)并顯示在液晶顯示器上。為了調(diào)整監(jiān)測(cè)距離，我們嘗試在紅外發(fā)射電路中增加電阻變量。

3 硬件設(shè)計(jì)

紅外接收二極管接收到的脈沖信號(hào)通過(guò)電容C1并受到三極管的影響，放大電路Q1將信號(hào)放大100倍以上。隨后LM567在3號(hào)引腳接收信號(hào)并完成信號(hào)的識(shí)別過(guò)程。之后用作判別的8號(hào)引腳根據(jù)情況輸出高電平或低電平。

3.3 顯示電路

顯示模塊的電路由AT89C51控制，此部分控制的原理是：在紅外接收器接收到腿部交錯(cuò)的遮擋信號(hào)時(shí)，LM567的8號(hào)引腳會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)。液晶顯示模塊會(huì)提供低電平信號(hào)在后臺(tái)計(jì)數(shù)處理后的步數(shù)。

3.4 整體設(shè)計(jì)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

STC89C52RC 單片機(jī)可以用計(jì)算機(jī)C語(yǔ)言編程。這種方法很容易理解也很容易被機(jī)器編譯。在初次開始一段紅外計(jì)步器程序時(shí)，系統(tǒng)需要初始化。也就是說(shuō)當(dāng)按下reset按鍵，液晶顯示器顯示的應(yīng)該是0。 如果實(shí)驗(yàn)數(shù)值超出預(yù)定的范圍，顯示器也應(yīng)該顯示0。

軟件設(shè)計(jì)的詳細(xì)流程如圖8所示：

5 調(diào)試和測(cè)驗(yàn)

在設(shè)計(jì)出這個(gè)紅外計(jì)步器之后，需要對(duì)它進(jìn)行調(diào)試和測(cè)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證它的正常運(yùn)行。硬件測(cè)試可以分為兩大塊，其一是通過(guò)仿真軟件來(lái)做系統(tǒng)的仿真測(cè)驗(yàn)，從而直接從軟件上找到設(shè)計(jì)的漏洞并通過(guò)一次次的嘗試及時(shí)作出性能的提升和改良。第二部分是在電路板上進(jìn)行實(shí)際的操作及改進(jìn)，本文設(shè)計(jì)的紅外線計(jì)步器計(jì)數(shù)精確，功耗低，體積小，在實(shí)際生活中具有一定的使用價(jià)值。

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