CN105953813A - 一种基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置，属于人体运动信息检测技术领域。包括外壳、电路板、单轴加速度传感器、篮牙模块和蓝牙天线。其中外壳通过腕带配戴在脚腕处，电路板固定在外壳上，单轴加速度传感器、篮牙模块和蓝牙天线等电子元器件固定在电路板上；单轴加速度传感器的信号输出端与篮牙模块中的单片机信号输入端相连接，篮牙模块的射频信号输出端与蓝牙天线的信号输入端相连接。本发明计步装置通过在脚腕处直接检测脚底与地面发生的撞击次数进行计步，由于单轴加速度传感器接近振动源，大幅度降低了人体对脚底振动的衰减作用，因此提高了检测的灵敏度，具有较强的抗干扰能力。

Description

一种基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置
技术领域
本发明涉及一种基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置，属于人体运动信息检测技术领域。
背景技术
计步器作为一种便携式运动检测设备，能够量化并监测人们的日常行走步数，为其提供一个可参考和比较的标准，促进人们制定合理的运动规划，达到适量运动的目的，因而获得了越来越广泛的应用。
人体在行走时，脚底与地面的间歇性撞击，会使身体重心在垂直于地面的方向产生与步行频率同步的上下振动，利用振动传感器检测出身体重心的上下运动，就能对行走步数进行计数。现有的智能电子设备采用3轴微电子机械系统(Micro Electro MechanicalSystems，以下简称MEMS)加速度计来检测人体重心的上下运动，3轴MEMS加速度计有相互正交的三个敏感方向，因此无论3轴加速度计如何放置，都可以检测出人体重心的上下运动。
现有的计步器存在如下缺陷：
(1)计步器检测的是身体重心的上下振动。脚底与地面撞击产生的振动经身体传导到腰部或手腕时，由于身体的缓冲作用，振动幅度已大幅度衰减，计步结果易受电梯、交通工具等外界振动干扰的影响；
(2)计算方法复杂，首先要根据MEMS加速度计三个方向上的检测信号，计算出上下方向的加速度，然后再利用一定的算法从人体重心起伏变化信号中分离出行走步数；
(3)3轴MEMS微机械加速度计的结构复杂、成本较高。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置，通过单轴加速度计直接检测行走时脚底撞击地面的加速度，使计步装置接近振动源，以降低了人体对脚底振动的衰减作用，提高测量灵敏度，对电梯、交通工具等外界因素导致的身体振动干扰不敏感，只记录脚底撞击地面时的有效行走步数。
本发明提出的基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置，包括外壳、电路板、单轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线；其中外壳通过腕带戴在脚腕处，电路板固定在外壳上，单轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线分别固定在电路板上；单轴微机械加速度计的信号输出端与篮牙模块的信号输入端相连接，单轴微机械加速度计的敏感方向垂直于脚底；篮牙模块的射频信号输出端与蓝牙天线的信号输入端相连接；所述的外壳，用于输入脚底撞击地面时产生的振动；所述的单轴微机械加速度计，用于将外壳产生的加速度物理信号转变成电信号；所述的篮牙模块内置有单片机，用于判断加速度电信号的峰值并进行计数，并将计步数据调制成2.4GHz的射频信号输出给蓝牙陶瓷天线；所述的蓝牙天线，用于将篮牙模块输出的射频信号以无线方式传输到智能手机进行计步数据显示。
本发明提出的基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置，其优点是，该脚腕式计步装置利用单轴加速度计直接检测行走时脚底撞击地面产生的加速度进行计步，由于计步装置接近脚底位置，检测的是未经膝关节、髋关节和脊椎等器官缓冲的振动，因此加速度计输出的加速度信号幅值较大，从而可将加速度信号峰值判断阈值设置的较高，有效消除外界振动干扰的影响。与现有的基于3轴微机械加速度计的计步装置相比，本发明提出的基于单轴微机械加速度计的计步装置测量方法简单、灵敏度高、电路简单、成本较低，而且对电梯、交通工具等外界振动干扰不敏感。
附图说明
图1是本发明提出的脚腕式计步装置机械结构示意图。
图2是本发明提出的基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置电路原理框图。
图1中，1是外壳，2是单轴微机械加速度计，3是篮牙模块，4是蓝牙天线，5是电路板。
具体实施方式
本发明提出的基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置，其结构如图1所示，包括：外壳1、电路板5、单轴微机械加速度计2、内置单片机的篮牙模块3、蓝牙天线4；外壳1通过腕带固定在脚腕上；电路板4通过螺钉固定在外壳1上。单轴微机械加速度计2、内置单片机的篮牙模块3和蓝牙天线4等电子元器件固定在电路板4上；单轴微机械加速度计2的信号输出端与篮牙模块3内的单片机信号输入端相连接，篮牙模块3的信号输出端与蓝牙天线4的信号输入端相连接，如图2所示。
本装置的各器件的功能为：
外壳1，用于输入脚底撞击地面时产生的振动。
单轴微机械加速度计2，用于将外壳1产生的加速度物理信号转变成电信号，单轴微机械加速度计的敏感方向垂直于脚底；
篮牙模块3，内置单片机，用于判断加速度电信号的峰值并进行计数，最后将计步数据调制成2.4GHz的射频信号输出给蓝牙天线4；
蓝牙天线4，用于将篮牙模块3输出的2.4GHz射频信号以无线方式传输到智能手机进行进行计步数据显示；
电路板5，用于固定并连接单轴加速度传感器2、篮牙模块3和蓝牙天线4，并将外壳1的振动传递给单轴加速度传感器2。
本发明的脚腕式计步装置的一个实施例中，使用美国ADI公司的ADXL190单轴微机械加速度计；使用TI公司生产的CC2541篮牙模块，该模块内置有增强型8051MCU、256KB可编程闪存和8KB RAM；使用Johanson公司的2450AT45A100陶瓷贴片天线。
本发明的脚腕式计步装置，其中的单轴加速度传感器、篮牙模块和蓝牙天线等电子元器件固定在电路板上，电路板固定在外壳内，整个计步装置用腕带佩戴在使用者的脚腕处。
本发明脚腕式计步装置的工作原理是：
人在走路时，脚底与地面会发生间歇性的撞击，撞击产生的振动通过脚腕传导到计步装置中的单轴加速度传感器2上，单轴加速度传感器2将振动产生的加速度物理信号转变成为电信号，篮牙模块3中的单片机对加速度电信号进行阈值判断和计数，篮牙模块3将计步数据调制成2.4GHz的射频信号输出给蓝牙天线4，蓝牙天线4最后将射频信号以无线方式传输到智能手机。
本发明计步装置直接在脚腕处检测脚底与地面发生的撞击，利用脚底与地面的撞击次数来进行计步，由于计步装置接近振动源，大幅度降低了人体对脚底振动的衰减作用，因此提高了检测的灵敏度，对电梯、交通工具等外界因素引起的振动干扰不敏感，具有较强的抗干扰能力。本发明脚腕计步装置利用单轴加速度传感器感应行走时脚底与地面的撞击产生的加速度，较基于3轴加速度传感器的计步装置灵敏度高、抗干扰能力强、结构简单，成本低廉。

Claims (1)

1.一种基于单轴微机械加速度计的脚腕式计步装置，其特征在于，该脚腕式计步装置包括外壳、电路板、单轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线；其中外壳通过腕带戴在脚腕处，电路板固定在外壳上，单轴微机械加速度计、篮牙模块和蓝牙天线分别固定在电路板上；单轴微机械加速度计的信号输出端与篮牙模块的信号输入端相连接，篮牙模块的射频信号输出端与蓝牙天线的信号输入端相连接；所述的外壳，用于输入脚底撞击地面时产生的振动；所述的单轴微机械加速度计，用于将外壳产生的加速度物理信号转变成电信号，单轴微机械加速度计的敏感方向垂直于脚底；所述的篮牙模块内置有单片机，用于判断加速度电信号的峰值并进行计数，并将计步数据调制成2.4GHz的射频信号输出给蓝牙陶瓷天线4；所述的蓝牙天线，用于将篮牙模块输出的射频信号以无线方式传输到智能手机进行计步数据显示。
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