基于加速度传感器LIS3DH的计步器设计

DOI:10.13873/j.1000-97872012.11.045

2012年第31卷第11期传感器与微系统（TransducerandMicrosystemTechnologies）97

基于加速度传感器LIS3DH的计步器设计

1，2

韩文正，冯

1

迪，李

12鹏，马文超

（1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191；

2．联想（北京）研究院，北京100085）

要：设计了一种基于微机电系统（MEMS）加速度传感器LIS3DH的计步器，包括运动检测、数据处理

和显示终端。数字输出加速度传感器LIS3DH作为运动检测模块，检测人体运动时加速度变化；数据处理

使用FFT滤波和自适应频率范围去除噪声对加速度信号的影响，利用加速模块对加速度信息进行处理，摘

度变化的上升、下降区间实现计步功能。实验结果表明：该计步系统具有体积小、结构简单、功耗低、工作

稳定的特点，能够提供较高精度的计步功能。关键词：微机电系统；计步器；加速度传感器；高精度中图分类号：TP212．9

文献标识码：A

文章编号：1000—9787（2012）11—0097—03

Designofpedometerbasedonacceleration

sensorLIS3DH

2

HANWen-zheng1，，FENGDi1，LIPeng1，MAWen-chao2

（1．SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicsEngineering，

BeihangUniversity，Beijing100191，China；

2．LenovoBeijingCorporateResearch＆Development，Beijing100085，China）

Abstract：Apedometerbasedonmicro-electro-mechanicalsystem（MEMS）accelerationsensorLIS3DHisdesigned，includingmotiondetection，dataprocessinganddisplayterminal．ThedigitaloutputaccelerationsensorLIS3DHisusedasmotiondetectionmodule，whichdetectstheaccelerationchangeofhumanmotion；dataprocessingmoduleprocessestheaccelerationsignal，FFTfilteringandadaptivefrequencyrangeareusedtoremoveusingriseanddeclineregionofaccelerationchangetocalculatetheinfluenceofnoiseonaccelerationsignal，

numberofstepsofhumanwalking．Theexperimentalresultsshowthatthesystemhastheadvantagesofsmallsize，simplestructure，lowpowerconsumption，stableoperation，anditcanprovidehighprecisionstepcountingfunction．

Keywords：MEMS；pedometer；accelerationsensor；highprecision

引

言

可以输出运动状态的实时数据，对运动数据进行采集和分析。

本文基于LIS3DH

［1］

计步器是一种日常锻炼进度监控器，可以计算人们行估计行走距离、消耗的卡路里，方便人们随时监走的步数，

控自己的健身强度、运动水平和新陈代谢。

早期的机械式计步器利用人走动时产生的振动触发虽然成本低，但是准确度和灵敏度都机械开关检测步伐，

很低，体积较大，且不利于系统集成。随着MEMS技术的基于MEMS技术的惯性传感器得到迅速发展，其具发展，

体积小、功耗低、精度高的特点，利用MEMS加有价格低、

速度传感器设计的电子计步器，通过测量人体行走时的加速度信息，经过软件算法计算步伐，可以克服机械式计步可准确地检测步伐，同时还器准确度和灵敏度低的缺点，

收稿日期：2012—04—20

加速度传感器设计了一种电子式

计步器，该传感器是意法半导体（ST）公司的三轴重力加速度传感器，可以精确测得人行走时的步态加速度信号，具有精确度和灵敏度高的特点。功耗低、1

人体运动模型

通过步态加速度信号提取人步行的特征参数是一种简可行的步态分析方法。行走运动包括3个分量，分别是便、

前向、侧向以及垂直向，如图1所示。LIS3DH是一种三轴（X，Y，Z轴）的数字输出加速度器，可以与运动的3个方向相对应

［2］

。

98传感器与微系统第31卷

其他信号均为噪声。可以用（FFT）滤波实现保留部分频率

垂直轴

前向轴侧向轴

提取有用信息。信息的要求，

但正常行走的任一段时间内，步频的变化都会集中在而不是0．5～5Hz这么大，峰值频率附近的一个小范围内，

所以，本文经过分析大量实验数据的频谱，建立了一个比0．5～5Hz小的自适应频率范围（f1，f2）（如图4所示），通过FFT保留该频率范围内的有用信号，去除范围外的无用信息。

2.0加速度/m·s-2

图1Fig1

人体行走模型

Humanwalkingmodel

行走运动分量在一个步伐，即一个迈步周期中加速度脚蹬地离开地面是一步的开始，此变化规律如图2所示，

时，由于地面的反作用力垂直加速度开始增大，身体重心上当脚达到最高位置时，垂直加速度达到最大，然后脚向移，

下运动，垂直加速度开始减小，直至脚着地，加速度减至最小值，接着下一次迈步发生。前向加速度由脚与地面的摩擦力产生的，因此，双脚触地时增大，在一脚离地时减小

［3］

1.51.00.50

1f1

f2

。

23

456

频率/Hz

78910

图4Fig4

自适应频率范围

Adaptivefrequencyrange

经实验验证利用该动态频率范围能更好地去除噪声对如图5（a）和（b）所示。图5（a）是利用步数判断的影响，

图2

Fig2

人体行走模型分析

FFT滤波和动态频率范围对原始加速度信号滤波后的加速图5（b）是直接利用FFT滤波与0．5～5Hz的度变化曲线，

频率范围对原始加速度滤波后的加速度变化曲线。

加速度/m·s-2

111098

4567

时间/s

(a)%利用自适应频率范围滤波后的加速度(a)%acceleration%filtered%by%adaptive%frequency%range11加速度/m·s-2

1

2

3

Analysisofhumanwalkingmodel

LIS3DH检测到的X，Y，Z轴的图3为一次步行实验中，

加速度变化情况。可以看出：Z轴加速度数据（人行走的竖加速度值最小处对应的是脚离直方向）具有明显的周期性，

开地面（一步的开始或结束），最大值对应脚抬到最高点。

20加速度/m·s-2

151050-5

1000

1100采样点

XYZ

1200

10980

1

2

3

45时间/s

6

7

图3Fig3

加速传感器的三轴输出

3-axisoutputofaccelerationsensor

在具体使用时，手持设备的放置情况是随意的，加速度计的3个轴有可能不与人体模型定义的3个轴向重合，4］文献［中提到利用加速度的峰—峰值来判断加速输出最大的一轴作为有效轴。但这种方法易丢失计数点，使计数不够准确。为了充分利用加速度传感器输出的三轴信号，本文将加速度信号进行取模求和后用来计步。2

算法设计

Z向加速度计原始输出虽然具有一定的由图3可知，

周期性，但由于噪声导致变化复杂，不易于直接进行计步，需对信号进行滤波，尽可能消除噪声影响。通常情况下，人的步频最快不会超过5steps/s，最慢为0．5steps/s。因此，可以认为原始信号中频率为0．5～5Hz的信号为有用信号，

Fig5

(b)%利用固定频率范围滤波后的加速度

(b)%acceleration%filtered%by%fixed%frequency%range

图5FFT滤波后的加速度变化曲线

AccelerationchangecurvefilteredbyFFT

由图5可以看出：图5（a）中部分噪声还不能消除，存而计步图5（b）中加速度曲线较平滑，加在多峰值的情况，

速度的周期性化趋势已非常明显，变换规律也比较简单，可利用软件算法实现计步，停止时加速度虽仍有一定的输出，但其峰值明显小于行走时加速度峰值，因此，可通过限定加速度的大小去除影响。

对行走时加速度变化曲线进行分析，可以看出在一定时间间隔内会有一个加速度波谷（图中的1～4点）和加速

第11期韩文正，等：基于加速度传感器LIS3DH的计步器设计

并将算法处理得到计步数值显示在液晶显示屏上。

电源5V

LCD12864

液晶显示器键盘

99

度最小的时刻（对应脚落下或者抬起），当脚抬起来的时候（“起点”），身体重心上移，加速度也变大，加速度曲线中波峰对应的是人脚抬至最高处，再到下一个波谷，这就是一个计步器因步行之外的原因而迅速或缓完整的步伐。此外，

慢振动时，也会被计数器误认为是步伐。在步行时，速度快时一个步伐所占的时间间隔长，走的慢时时间间隔短，但都应在动态频率范围确定时间窗口内，所以，利用这个时间窗口就可以有效地减小无效振动对步频判断造成的影响。

基于以上分析，可以确定迈步周期中加速度变化情况应具备以下特点

［3］

微控制器

MC9S12XS128IC加速度传感器LIS3DH

2

图7

Fig7

硬件结构框图

：

Blockdiagramofhardwarestructure

1）一个迈步周期中仅出现一次加速度极大值、极小值，有一个上升区间和下降区间；

2）一个单调区间对应迈步周期的50%，因而，时间间隔应该在1/2个时间窗口之间；

3）行走时，加速度极大值与极小值是交替出现的，且其差的绝对值不小于预设的阈值1。

根据以上三点对加速度变化区间进行约束，认为同时满足以上三点变化区间对应半个步伐。具体流程图如图6所示。

为了检验计步器的精度和适应能力，在加速度计Z轴朝上的情况下从较慢步频、正常步频、较快步频3个方面进行测试，分别进行2组实验，每次实验行走100步。

计步器测试结果见表1。

表1Tab1

实验次数

12345910

测试结果Testresults

计步结果准确率（%）101．0100．0100．0101．5100．099．598．0

99．0100．0100．098．5100．099．598．0

4结论

加速度传感器LIS3DH采用3mm×3mm×1mm的小尺

+1/fs

1/fs

+

大大减小了整个系统的尺寸，可以很方便地移植到寸封装，

遥控器以及游戏机这些有运动感应功能，而空间和如手机、

功耗有严格限制的设计中；由于具有三轴数字输出功能，用户可以将计步器戴在身上任何部位。该计步系统可以较好计步精度高，稳定性好。地适应不同步频情况，参考文献：

1］LIS3DHDatasheet［EB/OL］．STMicroelectronics［2010—05—06］．［

http：∥www．st．com．

［2］宋浩然，廖文帅，赵一鸣．基于加速度传感器ADXL330的高

J］．传感器学报，2006（4）：26－29．精度计步器［

［3］许

．南京：南京睿．行人导航系统算法研究与应用实现［D］

．琦．基于加速度传感器的计步系统［J］

2008．航空航天大学，

［4］苏丽娜，董金明，赵

2007，26：163－165．测控技术，

［5］JHD12864FDatasheet［EB/OL］．［2005—05—31］．http：∥www．

egochina．com．

［6］MC9S12XS128Datasheet［EB/OL］．FreescaleTMSemiconduc-tor．［2009—09—01］．http：∥www．freescale．com．

图6

Fig6

算法流程图

Flowchartofalgorithm

图中fs为采样频率。3

硬件实现

图7所示为系统的硬件结构框图。本文中选用的加速所以，采样得到的数据不度传感器LIS3DH输出数字信号，

必再专门选用芯片来做模数转换。传感器和控制模块接口Y，为SPI总线或者IC总线。加速度传感器LIS3DH，有X，Z三个自由度的加速度数字输出，可以全方位感知人体行走运动信息；控制模块由LCD12864

［5］

2

作者简介：

韩文正（1989－），女，江苏徐州人，硕士，主要研究方向为微传惯性导航、信息与信号处理。感技术、

显示模块、微控制器

MC9S12XS128［6］、键盘和电源组成，用来读取加速度信息，

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cft4.html