紅外計步器的設(shè)計和應(yīng)用

陸婷

摘要：如今，我們國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正在飛速增長，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越流行。因此，計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。本文采用紅外傳感器代替加速度傳感器制作計步器。通過紅外計數(shù)原理，使用紅外傳感器以及單片機(jī)實現(xiàn)了紅外計步器的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：計步器； 加速度傳感器； 紅外反射傳感器； 液晶顯示器

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

1 紅外計步器的調(diào)查概況

1.1 設(shè)計背景

如今，我們國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展正在飛速增長，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？畢竟掌握好鍛煉時間、消耗能量和健康狀況的平衡才是最重要的。因此，計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。

在做此設(shè)計之前，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，我們就很容易通過計步來算出每個人在步行鍛煉時所消耗的能量了。這就是我們的主要設(shè)計思路。

1.2 發(fā)展?fàn)顩r和通用技術(shù)

目前，為迎合市場需求，各種各樣的計步器紛紛涌現(xiàn)在市場上，它們當(dāng)中更多是利用加速度傳感器設(shè)計的。在智能手機(jī)全面占領(lǐng)市場之后，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)計步器的出現(xiàn)帶來了契機(jī)。計步器開始作為在人們的日常生活中的娛樂健身項目普及。

1.2.1 加速度傳感器計步器的設(shè)計原理

人們行走過程中，身體的每個部位都會產(chǎn)生變化的加速度，為了簡化探究的過程，設(shè)計者通常選擇步行時在腰間產(chǎn)生的一個垂直加速度。這樣選擇的理由當(dāng)然是因為行走的人類腰間的運(yùn)動過程最為簡單，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轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行研究，從而使單片機(jī)讀出電信號產(chǎn)生的峰值，并以采集的峰值信號為計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來計步。

1.2.2 加速度傳感計步器的缺陷

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

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

步行是一種三維運(yùn)動模式，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)帶來了困難。

1.3 改良的計步器設(shè)計思路和主要方法

為改良加速度傳感計步器的計數(shù)精度，我們嘗試設(shè)計一種新的基于紅外技術(shù)的計步器。通過觀察300多人行走的特征，我們發(fā)現(xiàn)人類行走過程運(yùn)動幅度最大的部位是腳上，我們決定以此為設(shè)計紅外計步器的主要依據(jù)。在我們行走的時候，我們可以停止揮動手臂或者走得很慢來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，必定會有一個腳步交錯的過程。所以，我們以此運(yùn)動規(guī)律為主要的設(shè)計依據(jù)，借助紅外計數(shù)技術(shù)來進(jìn)行計步器的設(shè)計。更重要的是，這樣的設(shè)計思路具有不會受到運(yùn)動強(qiáng)度、運(yùn)動方向影響的突出優(yōu)點，并且人們行走時的腳步交錯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傳感器

我們可以發(fā)現(xiàn)，在我們的設(shè)計中最重要的是能夠?qū)⒉綌?shù)信息轉(zhuǎn)變成光信號。然后便可以將光信號轉(zhuǎn)變成電信號并用單片機(jī)進(jìn)行信號分析了。因此，我們需要找到合適的紅外傳感器，即光電探測傳感器。它是一種探測距離的紅外傳感器，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候被探測出。

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

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

1.3.2 設(shè)備分析

考慮到人們步行時兩腿間距較小，我們不能使用漫射類型的光電探測傳感器。腿的寬度大約是10cm，但步行時兩腿間距離大約30cm。如果我們用漫射類型的光電探測傳感器，它雖然可以探測到兩腿交錯運(yùn)動但卻無法計數(shù)。直射類型的探測器看似很適合用作紅外計步器，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傳感器。

為完成這個任務(wù)，我們將設(shè)計的整個計劃分為五部分。首先，我們用兩周的時間試著完成紅外傳感器控制的計數(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數(shù)結(jié)果。我們將用單片機(jī)控制這個過程，將模擬信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)變并處理該數(shù)字信號使之實現(xiàn)計數(shù)。在結(jié)束設(shè)計之前，我們再用幾天的時間來完善整個控制系統(tǒng)，并作出總結(jié)。

1.4 設(shè)計意義

在高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中和生活的高壓下，健康問題對我們越來越重要。只有健康才能使我們有足夠的能量與困難做斗爭、有機(jī)會享受生活?？梢哉f是這樣的大環(huán)境創(chuàng)造了人們對高科技的需求，也可以說我們的設(shè)計更有利于人們?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)計去證明，我們可以用大學(xué)中所學(xué)的知識嘗試對社會作出一定的貢獻(xiàn)。

2 紅外計步器的設(shè)計規(guī)劃

2.1 當(dāng)今紅外計數(shù)器的技術(shù)發(fā)展

目前主要的紅外計數(shù)技術(shù)有兩個不同的類型。一種是主動型，一種是被動型。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電信號的影響。

2.1.1 三種主要的紅外計數(shù)器

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

圖4所示為第三種紅外計數(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LM567。這兩種芯片都是在產(chǎn)生紅外波以及紅外探測電路中常用的芯片。然后，我們將計數(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 紅外計數(shù)器設(shè)計的方法選擇

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

第二種方法與第一種相反，它價格便宜但是系統(tǒng)不穩(wěn)定。信號的發(fā)生很容易被改變。這一弱點表現(xiàn)在設(shè)計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)計我們產(chǎn)品的方法。精度上它足夠用作步數(shù)的檢測，也并不像第一種設(shè)計方案價格那么高。更重要的是，各種屬性功能都是可用的對于紅外計步器的設(shè)計都是可用的。

2.2 紅外計步器的設(shè)計

經(jīng)過各種對比分析之后，我們制定出關(guān)于整體設(shè)計的全面方案。首先，我們應(yīng)該確認(rèn)我們的設(shè)計需求。

a） 紅外計步器應(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） 計步器可識別的距離要合適，這樣它才可以適用于不同身高和步長的人群，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監(jiān)測步行過程，然后將紅外傳感器接收的信號轉(zhuǎn)換到單片機(jī)。之后，我們分析接收的信號，對信號處理得到步數(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

紅外接收二極管接收到的脈沖信號通過電容C1并受到三極管的影響，放大電路Q1將信號放大100倍以上。隨后LM567在3號引腳接收信號并完成信號的識別過程。之后用作判別的8號引腳根據(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的遮擋信號時，LM567的8號引腳會發(fā)出一個低電平信號。液晶顯示模塊會提供低電平信號在后臺計數(shù)處理后的步數(shù)。

3.4 整體設(shè)計電路

4 軟件設(shè)計

STC89C52RC 單片機(jī)可以用計算機(jī)C語言編程。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步器程序時，系統(tǒng)需要初始化。也就是說當(dāng)按下reset按鍵，液晶顯示器顯示的應(yīng)該是0。 如果實驗數(shù)值超出預(yù)定的范圍，顯示器也應(yīng)該顯示0。

軟件設(shè)計的詳細(xì)流程如圖8所示：

5 調(diào)試和測驗

在設(shè)計出這個紅外計步器之后，需要對它進(jìn)行調(diào)試和測驗來驗證它的正常運(yùn)行。硬件測試可以分為兩大塊，其一是通過仿真軟件來做系統(tǒng)的仿真測驗，從而直接從軟件上找到設(shè)計的漏洞并通過一次次的嘗試及時作出性能的提升和改良。第二部分是在電路板上進(jìn)行實際的操作及改進(jìn)，本文設(shè)計的紅外線計步器計數(shù)精確，功耗低，體積小，在實際生活中具有一定的使用價值。

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