红外计步器的设计和应用

陆婷

摘要：如今，我们国家的经济发展正在飞速增长，人们的生活水平也不断改善，更多的人们开始关注自身的健康状态。步行，作为一种方便的健身方式变得越来越流行。因此，计步器作为一种健康锻炼的技术支持设备被开发出来。本文采用红外传感器代替加速度传感器制作计步器。通过红外计数原理，使用红外传感器以及单片机实现了红外计步器的设计。

关键词：计步器； 加速度传感器； 红外反射传感器； 液晶显示器

中图分类号：TN722.1 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）05-0198-04

1 红外计步器的调查概况

1.1 设计背景

如今，我们国家的经济发展正在飞速增长，人们的生活水平也不断改善，更多的人们开始关注自身的健康状态。步行，作为一种方便的健身方式变得越来越流行。但是，我们如何把握每天行走的距离和了解步行所消耗的能量呢？毕竟掌握好锻炼时间、消耗能量和健康状况的平衡才是最重要的。因此，计步器作为一种健康锻炼的技术支持设备被开发出来。

在做此设计之前，我们做了很多相关调查，如：每人每天应该做多少锻炼，每天应该消耗多少能量才比较健康。结果是：1500卡路里。当然，这个数据因人而异，但我们可以精确的算出人们应该消耗的卡路里数量。

有了这些式子，我们就很容易通过计步来算出每个人在步行锻炼时所消耗的能量了。这就是我们的主要设计思路。

1.2 发展状况和通用技术

目前，为迎合市场需求，各种各样的计步器纷纷涌现在市场上，它们当中更多是利用加速度传感器设计的。在智能手机全面占领市场之后，三轴加速度传感器广泛应用于智能手机中，也给手机计步器的出现带来了契机。计步器开始作为在人们的日常生活中的娱乐健身项目普及。

1.2.1 加速度传感器计步器的设计原理

人们行走过程中，身体的每个部位都会产生变化的加速度，为了简化探究的过程，设计者通常选择步行时在腰间产生的一个垂直加速度。这样选择的理由当然是因为行走的人类腰间的运动过程最为简单，此外，与其他部位的加速度相比，腰间的加速度也是最大的。

加速度传感器可以将加速度信号转变为电信号进行研究，从而使单片机读出电信号产生的峰值，并以采集的峰值信号为计数标准来计步。

1.2.2 加速度传感计步器的缺陷

加速度传感计步是一种非常有效的计步器设计方法，所以市面上出售的大多计步器都是采用此种方式来设计制作的。然而，发现设计缺陷是我们改良设备的首要因素，加速度传感计步器的设计缺陷表现在，当人们的锻炼过程不局限于步行时，对于小跑和上下楼梯加速度传感器都不能很好地识别，这就使得计步器的计步过程出现很大的误差。

加速度传感器本身的速度-电信号转化就是基于一定范围的，当物体加速度超过传感器的转化范围，或者精度超过传感器本身的识别范围，都会给设计出的产品带来运行的误差。当处理器或者单片机试着改变输入TTL中的峰峰值信号时，设备就会出现问题使我们无法得到正确的结果。

步行是一种三维运动模式，也是一种随机的加速状态，这使得输出的加速度转化图形不可能是标准的峰-峰状态，它会产生很多略小的峰值，这就给我们输出准确步数带来了困难。

1.3 改良的计步器设计思路和主要方法

为改良加速度传感计步器的计数精度，我们尝试设计一种新的基于红外技术的计步器。通过观察300多人行走的特征，我们发现人类行走过程运动幅度最大的部位是脚上，我们决定以此为设计红外计步器的主要依据。在我们行走的时候，我们可以停止挥动手臂或者走得很慢来降低加速度传感器所需要的加速度强度，但是我们不可能停下脚步。另外，我们没走一步，必定会有一个脚步交错的过程。所以，我们以此运动规律为主要的设计依据，借助红外计数技术来进行计步器的设计。更重要的是，这样的设计思路具有不会受到运动强度、运动方向影响的突出优点，并且人们行走时的脚步交错也不易受到外界其他障碍物的干扰。

1.3.1三种不同的光电探测传感器

我们可以发现，在我们的设计中最重要的是能够将步数信息转变成光信号。然后便可以将光信号转变成电信号并用单片机进行信号分析了。因此，我们需要找到合适的红外传感器，即光电探测传感器。它是一种探测距离的红外传感器，有三种功能类型：直射、回射和漫射。

直射功能的接收器位于发射器直线传播方向。在这种模型下，物体在光线被阻挡的时候被探测出。

漫射光电探测传感器发射和接收光信号是使用同一个光电探测器，当发射红外光遇到障碍被反射后，探测器可直接接收反射光。

回射光电探测传感器接收的发射光必须是被物体并反射的，在这种类型的探测器中，物体被探测到的精度大于物体未遮挡光线即没有被探测到的情况。

1.3.2 设备分析

考虑到人们步行时两腿间距较小，我们不能使用漫射类型的光电探测传感器。腿的宽度大约是10cm，但步行时两腿间距离大约30cm。如果我们用漫射类型的光电探测传感器，它虽然可以探测到两腿交错运动但却无法计数。直射类型的探测器看似很适合用作红外计步器，但它的精度要求太高而不便于使用。所以我们选择使用回射型的光电探测传感器。

为完成这个任务，我们将设计的整个计划分为五部分。首先，我们用两周的时间试着完成红外传感器控制的计数器。这一环节最重要的部分是光电开关。然后我们用液晶显示器显示计数结果。我们将用单片机控制这个过程，将模拟信号向数字信号转变并处理该数字信号使之实现计数。在结束设计之前，我们再用几天的时间来完善整个控制系统，并作出总结。

1.4 设计意义

在高速发展的经济发展过程中和生活的高压下，健康问题对我们越来越重要。只有健康才能使我们有足够的能量与困难做斗争、有机会享受生活。可以说是这样的大环境创造了人们对高科技的需求，也可以说我们的设计更有利于人们去关注自身的生活质量。

另一方面，我们希望能够用这样的设计去证明，我们可以用大学中所学的知识尝试对社会作出一定的贡献。

2 红外计步器的设计规划

2.1 当今红外计数器的技术发展

目前主要的红外计数技术有两个不同的类型。一种是主动型，一种是被动型。两种方法都是基于光感应电阻。由于光感应电阻的阻值取决于光照强度，而物体的遮挡影响了光照强度。我们可以利用这样的性质来判断是否有物体遮挡或者有多少物体。此外，我们很容易知道电阻的组织对电信号的影响。

2.1.1 三种主要的红外计数器

图2所示为第一种红外计数器原理框图。首先通过专用芯片探测计数脉冲，然后转化信号来控制控制部件AT89C2051单片机。在编程过程中，我们控制、分析信号。PS7219是一种液晶显示芯片，用该芯片我们可以简单地将我们所需数据显示在液晶显示器上。X2504P是一种保护芯片，主要用来保护电源电压，保证电路的可用性。W7805是用来产生恒定电流的芯片。

图4所示为第三种红外计数器原理框图。其中，红外发射电路由主要元件NE555连接，红外接收电路的主要设备为LM567。这两种芯片都是在产生红外波以及红外探测电路中常用的芯片。然后，我们将计数脉冲传输给控制元件AT89C2051单片机。编程后我们便可以将数据显示在液晶显示器上。

2.1.2 红外计数器设计的方法选择

根据以上三种方法的对比，毫无疑问类型一是最优的方法，他能够显示最精确的计数结果并且电路状态最为稳定。但是这种红外计数器价格太贵，作为红外计步器的设计并不需要精度那么高的红外计数器做支撑。

第二种方法与第一种相反，它价格便宜但是系统不稳定。信号的发生很容易被改变。这一弱点表现在设计中没有控制电源的组件，所以如果电源电压不稳定，系统很容易崩溃。

最后一种方法刚好做了折中，它也是我们选择设计我们产品的方法。精度上它足够用作步数的检测，也并不像第一种设计方案价格那么高。更重要的是，各种属性功能都是可用的对于红外计步器的设计都是可用的。

2.2 红外计步器的设计

经过各种对比分析之后，我们制定出关于整体设计的全面方案。首先，我们应该确认我们的设计需求。

a） 红外计步器应该做的小巧便携并且易于使用。设备的所有部分 都要可以戴在腿上。

b） 计步器可识别的距离要合适，这样它才可以适用于不同身高和步长的人群，穿戴在不同质地的裤子上。

c） 步数需要显示在液晶显示器上。

d） 整个系统要稳定并且制作成本要尽可能低。

考虑到所有以上需求，我们选择使用漫反射类型的光电管来监测步行过程，然后将红外传感器接收的信号转换到单片机。之后，我们分析接收的信号，对信号处理得到步数并显示在液晶显示器上。为了调整监测距离，我们尝试在红外发射电路中增加电阻变量。

3 硬件设计

红外接收二极管接收到的脉冲信号通过电容C1并受到三极管的影响，放大电路Q1将信号放大100倍以上。随后LM567在3号引脚接收信号并完成信号的识别过程。之后用作判别的8号引脚根据情况输出高电平或低电平。

3.3 显示电路

显示模块的电路由AT89C51控制，此部分控制的原理是：在红外接收器接收到腿部交错的遮挡信号时，LM567的8号引脚会发出一个低电平信号。液晶显示模块会提供低电平信号在后台计数处理后的步数。

3.4 整体设计电路

4 软件设计

STC89C52RC 单片机可以用计算机C语言编程。这种方法很容易理解也很容易被机器编译。在初次开始一段红外计步器程序时，系统需要初始化。也就是说当按下reset按键，液晶显示器显示的应该是0。 如果实验数值超出预定的范围，显示器也应该显示0。

软件设计的详细流程如图8所示：

5 调试和测验

在设计出这个红外计步器之后，需要对它进行调试和测验来验证它的正常运行。硬件测试可以分为两大块，其一是通过仿真软件来做系统的仿真测验，从而直接从软件上找到设计的漏洞并通过一次次的尝试及时作出性能的提升和改良。第二部分是在电路板上进行实际的操作及改进，本文设计的红外线计步器计数精确，功耗低，体积小，在实际生活中具有一定的使用价值。

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