CN103674052A - 一种内嵌式多功能计步器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内嵌式多功能计步器，包括压力传感器和计步器本体，所述的压力传感器安装在鞋底，所述的计步器本体包括单片机、液晶显示屏、信号放大及AD处理电路、晶振复位电路、蜂鸣器和电源，所述的单片机分别连接液晶显示器、信号放大及AD处理电路、晶振复位电路、蜂鸣器和电源，所述的压力传感器通过信号放大及AD处理电路与单片机连接，所述的压力传感器内嵌设有热敏电阻，该热敏电阻通过信号放大及AD处理电路与单片机连接；单片机根据接收到的压力和温度的电压信号及事先存储的输入参数采用计算相应的运动参数，并通过液晶显示器进行显示。与现有技术相比，本发明具有结构小巧、计数精准、性能稳定等优点。

Description

一种内嵌式多功能计步器

技术领域

本发明涉及一种计步器，尤其是涉及一种内嵌式多功能计步器。 

背景技术

计步器越来越受到专业或业余的健康追求者的青睐，用来监视和评价锻炼里程的辅助工具。使用计步器，人们能够测量和记录多个参数的数据，例如：步数、行走距离和燃烧的卡路里等。这些参数对确定特定的健康计划的效果和效率是有益的。此外，计步器可通过向人们提供一种跟踪其日常身体活动程度并相应地建立越来越高的活动程度目标的诱导性设备。在许多情况下，计步器的使用已促使人们大量提高其身体的活动程度，有效的预防现代人的肥胖和心血管疾病。 

早期的计步器通常用摆锤原理作为计步技术，是一种应用摆锤检测身体运动再将该运动化为步数的机械设备。人们将该机械计步器基本沿垂直地面地佩戴在皮带上。当人们行走时，其臀部将摆动运动引入计步器中，进而造成受力的摆锤在计步器壳里运动。另外，摆锤作用的计步器对正常的垂直校准很敏感并经常需要对使用者的步态/步幅作机械调整以精确的记录步子并将步数转化为距离值。后来发展到用电子感应和加速计技术，这两种技术和之前的摆锤技术相比更准确，更为重要的是，不必像之前那样，计步器的佩戴需要和垂直于地面且一般只能戴于皮带上，因靠感应身体的震动而计步，可以更多方向的佩戴，特别是加速计，更是可以360度全方向运作。尽管这种类型的计步器是有益的，并在高频率计步时可能比基于摆锤和基于开关的计步器更为精确，然而在低速运动过程中可能产生假步和错误距离。另外，在使用加速度计不正确的轴向校准可能会不利地影响这些计步器的精确性。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构小巧、 计数精准、性能稳定的内嵌式多功能计步器。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种内嵌式多功能计步器，包括压力传感器和计步器本体，所述的压力传感器安装在鞋底，所述的计步器本体包括单片机、液晶显示屏、信号放大及AD处理电路、晶振复位电路、蜂鸣器和电源，所述的单片机分别连接液晶显示器、信号放大及AD处理电路、晶振复位电路、蜂鸣器和电源，所述的压力传感器通过信号放大及AD处理电路与单片机连接，所述的压力传感器内嵌设有热敏电阻，该热敏电阻通过信号放大及AD处理电路与单片机连接； 

压力传感器将压力和温度的电压信号输入信号放大及AD处理电路，通过信号放大及AD处理电路进行信号调理后传输给单片机，单片机根据接收到的压力和温度的电压信号及事先存储的输入参数计算相应的运动参数，并通过液晶显示器进行显示。 

所述的事先存储的输入参数包括使用者身高、体重、平均步幅以及所想要进行的步行或跑步运动的时间段。 

计算相应的运动参数时，采用基于BP神经网络计步数据计算方法进行计算，该BP神经网络的训练方法具体为： 

通过标定压力获取不同温度点下压力信号作为训练样本，通过训练样本完成BP神经网络权值和阈值的修正； 

基于BP神经网络计步数据计算方法具体为： 

通过放大、A/D转换将压力传感器采集的压力和温度的电压信号作为训练后的BP神经网络的输入，训练后BP神经网络的输出为压力值。 

所述的运动参数包括步行或跑步步数、距离及期间所燃烧的卡路里。 

当BP神经网络输出的压力值大于设定值时，步数加1； 

距离l的计算公式为：l＝n×e，其中，n为步数，e为平均步幅； 

期间所燃烧的卡路里的计算公式为： 

K=0.43×h+0.57×n+0.26×v+0.92×t-108.44 

式中，K为所燃烧的卡路里，h为身高，m为体重，v为步频，v=n/t，t为时间。 

所述的液晶显示器为点阵字符液晶显示器。 

所述的单片机还连接有开始/停止按键和功能键。 

所述的功能键包括模式选择键、加一键、减一键和计步模式直接切换键。 

所述的模式选择键可选择的模式包括正常显示模式、时间调整模式、参数输入模式和计步能耗模式。 

所述的压力传感器为压电薄膜传感器。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1)本发明压力传感器内置有热敏电阻，对传感数据进行温度补偿，并采用BP神经网络对压力传感器进行数据拟合，实现了压力传感器的非线性映射，达到了精准的计步效果； 

2)本发明计步器结构极其紧凑，具有易于操作的功能控制元件，并且体积小，抗震性能、防水防湿性能好，价格低； 

3)本发明的单片机可利用使用者的身高、体重、平均步幅以及所想要进行的步行和跑步运动的时间段等数据，精确连续地计算和显示个人在步行和跑步的距离和期间所燃烧的卡路里； 

4)本发明液晶显示器采用点阵字符液晶显示器，可以显示数字和西文字符，具有体积小、能耗低、显示方便、超薄轻巧等优点； 

5)本发明压力测量传感器安装在鞋底，采用压电薄膜传感器，它具有柔性好、强度大等特点，能够满足足底压力检测的要求； 

6)通过本发明可提醒使用者对自身日常行走运动的认知，有利于身体健康，是预防糖尿病、高血脂等慢性疾病的重要手段，同时也是诊断病态步伐和评估康复仪器以及辅助步行装置性能的重要手段，具有较高的实用价值。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明单片机的相关电路示意图； 

图3为本发明压力传感信号传输流程示意图； 

图4为BP神经网络的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

如图1所示，一种内嵌式多功能计步器，包括压力传感器3和计步器本体，所述的压力传感器安装在鞋底，所述的计步器本体包括单片机1、液晶显示屏2、信号放大及AD处理电路4、晶振复位电路5、蜂鸣器6和电源7，所述的单片机1分别连接液晶显示器2、信号放大及AD处理电路4、晶振复位电路5、蜂鸣器6和电源7，所述的压力传感器3通过信号放大及AD处理电路4与单片机1连接，所述的压力传感器3内嵌设有热敏电阻，该热敏电阻通过信号放大及AD处理电路4与单片机1连接。 

上述计步器可以给运动者计算和显示重要的数据，以在步行或跑步训练期间进行观察。对于一段所希望的时间段，该计步器利用使用者的身高、体重、平均步幅以及所想要进行的步行和跑步运动的时间段这些输入的数据，可以精确连续地计算和显示个人在步行和跑步的距离和期间所燃烧的卡路里，同时具有所述给定时间内的已用时间和10000步提示功能。 

如图2所示，本实施例计步器采用ATMEL公司的AT89C51单片机为系统核心，完成计步、活动量的计算、声音提醒、参数输入以及液晶显示等。压力传感器将压力和温度的电压信号输入信号放大及AD处理电路，通过信号放大及AD处理电路进行信号调理后传输给单片机，单片机根据接收到的压力和温度的电压信号及事先存储的输入参数(包括使用者身高、体重、平均步幅以及所想要进行的步行或跑步运动的时间段)计算相应的运动参数，包括步行或跑步步数、距离及期间所燃烧的卡路里等，并通过液晶显示器进行显示。 

所述的单片机1还连接有开始/停止按键9和功能键8。所述的功能键包括模式选择键S2、加一键S3、减一键S4和计步模式直接切换键S5。所述的模式选择键S2可选择的模式包括正常显示模式、时间调整模式、参数输入模式和计步能耗模式。 

所述的液晶显示器2为点阵字符液晶显示器。本实施例中选用1602系列液晶点阵字符模块，每行可以显示16个字符，共2行。它是由点阵字符液晶显示器和专用的行、列驱动器、控制器及必要的连接件，结构件装配而成的液晶显示模块，可以显示数字和西文字符。具有体积小、能耗低、显示方便、超薄轻巧等优点。 

由于压力传感器3安装在鞋底，在性能和外形上还有一定的特殊要求，须满足复性好、性能稳定、轻便小巧、不妨碍人的步行等要求。本实施例选用压电薄膜传感器，它具有柔性好、强度大等特点，能够满足足底压力检测的要求。 

压力传感信号传输流程示意图如图3所示，气压或液压作用在前端压力传感器上，压力传感器将压力和温度的电压信号输入到放大器，通过放大器信号进行信号调理，采用BP网络数据处理后输出数据。 

BP神经网络模型是目前应用最广泛的神经网络模型，它分为输入层、隐含层和输出层三层，一把来说输入层输出层使用一层，而隐含层可以扩展，层与层之间多是采用全互连方式的，同一层单元之间不存在相互的连接。BP神经网络模型用数据的训练是由信息的正向传播和误差的反向传播动态组成的，在正向传播的输入模式是从输入层经隐含层逐层处理并传向输出层，如果输出层和期望目标值进行比较没有得到期望的误差，则将误差信号沿原来的通路返回并修改各层的权值转为反相传播，然后在逐次运算，直到误差最小，最终达到期望的目标值。BP神经网络的结构如图4所示。 

在图4中，P为输入向量，R为输入维数，Sⁱ为输入各个神经元个数，Wⁱ神经元层数，nⁱ为输入节点，aⁱ为节点输出，w_ij为各个神经元连接权值，fⁱ为激励函数，bⁱ为神经元阈值。根据BP神经网络的特征，BP网络的计算关系式如下： 

每个节点的输出如式(1)： 

aⁱ=f(∑w_ij×aⁱ+bⁱ)    (1) 

对于每个输入模式P网络误差如式(2)： 

$E_p=\frac{1}{2}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(d_{\mathrm{pi}}-a_{\mathrm{pi}})}^2---\left(2\right)$

上式中a_pi为节点上的实际输出值，d_pi为节点上期望输出值。求误差之和如式(3)： 

$E=\underset{p}{\mathrm{\Σ}}{E}_p---\left(3\right)$

权值修正如式(4)： 

w_ji(k+1)=w_ji(k)+η(1-α)D(k)+αD(k-1)    (4) 

式中为k时刻的误差之和负梯度，D(k-1)为k-1时刻的误差之和的负梯度，α∈[0，1]是动量因子，加入动量因子可以减少训练过程的振荡趋势，η为学习率，可以改变训练时间。 

本实施例中，计算相应的运动参数时，采用基于BP神经网络计步数据计算方法进行计算，该BP神经网络的训练方法具体为：通过标定压力获取不同温度点下压力信号作为训练样本，通过训练样本完成BP神经网络权值和阈值的修正，在训 练函数选择中用TRAINLM且自适应函数中选择默认的TRAINGDM。 

基于BP神经网络计步数据计算方法具体为： 

通过放大、A/D转换将压力传感器采集的压力和温度的电压信号作为训练后的BP神经网络的输入，训练后BP神经网络的输出为压力值。 

当BP神经网络输出的压力值大于设定值时，步数加1距离l的计算公式为：l=n×e，其中，n为步数，e为平均步幅。 

人体能耗的测定非常复杂，与众多参数有关，比如性别、年龄、体型、运动类别、时间、气候等，所以实际中很难直接准确的测定一种运动在特定时间的能耗。常用的能耗测定方法有：直接测热法和间接测热法。另外，还可以采用公式简易推算法来计算热量，该方法只需测定身高和体重。为了简化操作，可以运用现在计步器中常用的能耗计算公式，根据计步参数推算能量消耗，公式如下： 

K=0.43×h+0.57×m+0.26×v+0.92×t-108.44 

式中，K为所燃烧的卡路里，单位为Kcal，h为身高，m为体重，单位为kg，v为步频，v=n/t，单位为步/min，t为时间，单位为min。 

由于压力传感器的温度漂移使U=k*P不能够实现线性输出，存在线性误差与温度误差，这里选择BP网络数据拟合算法进行温度补偿。通过标定压力实现不同温度点下压力和温度信号获取完成BP网络训练样本采集，利用BP网络可以通过训练数据完成权值与阈值的修正，使其输出值无限接近于真实输出值，利用BP网络的泛化能力实现整个量程内近似线性输出。 

Claims (10)

1.一种内嵌式多功能计步器，包括压力传感器和计步器本体，所述的压力传感器安装在鞋底，所述的计步器本体包括单片机、液晶显示屏、信号放大及AD处理电路、晶振复位电路、蜂鸣器和电源，所述的单片机分别连接液晶显示器、信号放大及AD处理电路、晶振复位电路、蜂鸣器和电源，所述的压力传感器通过信号放大及AD处理电路与单片机连接，其特征在于，所述的压力传感器内嵌设有热敏电阻，该热敏电阻通过信号放大及AD处理电路与单片机连接；

压力传感器将压力和温度的电压信号输入信号放大及AD处理电路，通过信号放大及AD处理电路进行信号调理后传输给单片机，单片机根据接收到的压力和温度的电压信号及事先存储的输入参数计算相应的运动参数，并通过液晶显示器进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，所述的事先存储的输入参数包括使用者身高、体重、平均步幅以及所想要进行的步行或跑步运动的时间段。

3.根据权利要求1所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，计算相应的运动参数时，采用基于BP神经网络计步数据计算方法进行计算，该BP神经网络的训练方法具体为：

通过标定压力获取不同温度点下压力信号作为训练样本，通过训练样本完成BP神经网络权值和阈值的修正；

基于BP神经网络计步数据计算方法具体为：

通过放大、A/D转换将压力传感器采集的压力和温度的电压信号作为训练后的BP神经网络的输入，训练后BP神经网络的输出为压力值。

4.根据权利要求3所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，所述的运动参数包括步行或跑步步数、距离及期间所燃烧的卡路里。

5.根据权利要求4所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，当BP利经网络输出的压力值大于设定值时，步数加1；

距离l的计算公式为：l＝n×e，其中，n为步数，e为平均步幅；

期间所燃烧的卡路里的计算公式为：

K=0.43×h+0.57×m+0.26×v+0.92×t-108.44

式中，K为所燃烧的卡路里，h为身高，m为体重，v为步频，v=n/t，t为时间。

6.根据权利要求1所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，所述的液晶显示器为点阵字符液晶显示器。

7.根据权利要求1所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，所述的单片机还连接有开始/停止按键和功能键。

8.根据权利要求7所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，所述的功能键包括模式选择键、加一键、减一键和计步模式直接切换键。

9.根据权利要求8所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，所述的模式选择键可选择的模式包括正常显示模式、时间调整模式、参数输入模式和计步能耗模式。

10.根据权利要求1所述的一种内嵌式多功能计步器，其特征在于，所述的压力传感器为压电薄膜传感器。

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