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学本计?应用放术与研究
基于蓝牙芯片C2541的计步器设计
黄元植黄锐敏
(华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021)
[摘要]为了实现穿戴式计步器准确计算步伐,本论文设计了一种基于蓝牙芯片CC2541和六轴传感器MPU6050的
电子计步器系统。在开发过程中,自主设计了一个简易的电子计步器系统开发板,实现了运动姿态的检,加速度数据处理和
步数在蓝牙设备终端显示。实验结果表明:在走100步时,具有较可靠的稳定性及准确性。该电子计步器可设计为15mn
15mm的小体积仪器,且结构简单、功耗低、抗振动冲击能力强,能够满足较高精度的计步测量要求。
[关键词]六轴传感器MPU6050;计步器;低通滤波器;合理值;高精度
中图分类号:TP212.9
文献标识码:A
文章编号:1008-6600(2017)05-0069-04
之差的问题,减少了大量的封装空间。本论文中设计的基于
引言
蓝牙芯片CC2541和六轴传感器MPU6050的电子计步器可
肥胖是万病之源,运动和控制饮食则是科学、正确的减以有效检测人行走时的步态加速度信号6?,具有体积小、功
肥方法,而步行作为科学、安全、时尚的运动方式在国内外受耗低精确度和灵敏度高的特点。该计步器内置于鞋中,准确
到越来越多人群的青崃,也成为科学减肥的有效方法之地测量脚加速度的变化,从而得出步数以及行走的距离。
-0,计步器是一种日常生活锻炼有效而方便的监控器,可2人体的运动姿态模型
以计算人们行走的步数,估计行走的距离,实时监控自己健
身强度和运动水平。
六轴传感器MPU6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速度器
早期的计步器是利用加重的机械开关检测步伐,人走动的姿态模块,经过实验的测试比较,单单3轴加速度器就可以
时会产生振动从而触发开关,再由一个简单的计数器记录并很好地完成数据测量任务。本文通过求取3轴加速度的模
显示步数,这被称作机械式计步器。这种计步器结构简单,
值,得出模值的波形,再设置上下沿的阈值,比较阈值后可较
价格便宜,但是准确度和灵敏度都较低,且只适用于悬挂在准确得出步数。
腰部,否则会不准确,目前已被淘汰。20世纪90年代,微机
因测试条件限制,在实验过程中我们将自制电子计步器
电系统( Micro- Electro- Mechanical System,MEMS)研究的突绑在脚踝上来模拟其应用在鞋内,因其相差距离小,故二者
飞猛进,它是在集成电路生产技术和专用的微机电加エ方法测试条件是相像的。为了充分利用传感器输出的三轴加速
的基础上蓬勃发展起来的高新科技,具有体积小、质量轻、性度信号,故本文将三轴加速度信号求取平方和(求模)后再进
能稳定、响应快、可靠性高、娦带宽、成本低等特点,利用行数据处理,原本加速度三轴模值的数据应该会是在G
MEMS技术设计的计步器克服了机械式计步器准确度和灵(9.8m/s2)附近,但是为了方使显示,故在程序中将G(98ms2)
敏度低的缺点,可以准确地进行运动姿态的检测并分析数直接标定为0,通过 MATLAB编写接口程序,行走过程中加
据,从而计算步伐。
速度(模值的变化规律如图1所示。图1显示加速度的模值
本文采用蓝牙芯片CC25419和六轴传感器MPU60509是一个不断抖动的过程,脚上升下降使得加速度(模值)变化
设计了一种电子式计步器。C2541是徳州仪器( TEXES IN-可以整体看作在一个包络范围内,因为通常情况下,人的步
STRUMIENTS)公司设计的2.4- GH% Bluetooth TM低能耗和伐频率范围是在4 steps/s-0.5 steps/,正常情况下是 I steps/s,
私有片载系统。MPU6050是由美盛( Invensense)公司设计则可以认为原始信号中0.5Hz-4Hz为有效信号,再通过设
的六轴运动处理组件,免除了组合陀螺仪与加速度器时间轴计一个低通滤波器,去除高频噪声,保留部分有用的信息,通
作者简介:黄元植(1992-),男,福建三明人,硕士研究生,研究方向为传感器数据融合方画的应用性研究。
万方数据
学木探付?应用技术与研究
过 MATLAB编写接口程序,效果如图2所示。而且在图1中3.1电源模块
可以看到,加速度(模值)的变化过程中会出现不连续,这会
LM1117是美国国家半导体( National Semiconductor)公
对后面步伐的阈值判断产生一定的影响,容易造成多计几司的一款低压差电压调节器,输出电流可达1A,可调节三端
步,经过低通滤波器后,加速度(模值)曲线变化更加平滑,且可输出固定1.5v~5V的电压,极低的静态电流,且有电流限
在曲线末尾,呈现振荡下降,使得通过阈值判断步伐更加准制和热保护功能。在接上纽扣电池后,可以稳定输出3.3V电
确,但是由于低通滤波后会有交流的分量存在,故图2中出现压给整个系统供电。
了加速度(模值)负的分量,不过可以通过条件判断将这部分3.2信号采集模块
去除。
本系统采用MPU6050加速度传感器来采集加速度数
据。MPU6050是美盛( Invensense)设计全球首例整合性6轴
运动处理组件,支持2.5V~3.3V的输入电压,三轴加速器提供
的测量范国为士2g、土4g、士8g与士16g,一个片上1024Byte的
FIFO(先入先出)的存储区,因此能为系统提供稳定准确的三
轴加速度数据。
3.3信号处理及传输模块
信号处理及传输模块采用公司的C2541低功耗和
私有片载系统,具有高性能、低成本、低功耗等特点和高集成
度、易于开发的优势
图1三轴加速度变化
CC25411通过12C总线得到MPU6050采集的三轴加速度
信号,然后通过系统算法算出步数,最后通过BLE( Bluetooth
Energy)4.0传输出去,实现与带蓝牙4.0的设备进行交互信息
并显示步数。
4算法设计
CC2541得到MPU6050采集的三轴加速度数据,经过低
通滤波器算法处理后,加速度(模值)信号变得平滑,信号变
换规律也比较简单,已经可以用算法实现计步。使用积分包
图2滤波后三轴加速度变化
络检测,会使得倍号形成一个包络,通过 MATLAB编写接口
程序,如图4.1,4.2,4.3,4.4,4.5所示,接着就是阅值判断,计算
3硬件设计
步伐。在图4.1,4.,2,4.3,4.4四幅信号图是对不同人群走路的
本电子计步器系统主要由电源模块LM1l7、信号采实验研究,例如图4.1,随机选取20个10岁-20岁的小孩,边
集模块MPU6050、信号处理及传输模块组成,系统硬件原理走边在 MATLAB记录下加速度波形,最后将这20个波形再
图如3所示。
进行平均优化,并从中截取一段,得到4.1的图形,因此我判
断该波形是10岁-20岁人的步伐波形,以此类推,图4.2,4.3,
4.4,均是如此。图4.5是在脚有抖动的情况下,测出来加速度
数据,说明脚轻微的抖动会产生加速度变化,为了使系统不
知速度信号采集模块
会记上一步,经过反复比较将上升阈值设置为3000(模值),
下降阈值设为5(模值),在5~3000的范围内即可算为一步,
同时为了计步更加准确,在程序中还加了脚的落地时间比
电源模块
较,即人的脚在地上的时间是有一定时间间隔的,通过这个
时间间隔可以进一步剔除那些因抖动而不符合要求的步数