基于51單片機和加速度傳感器在人體坐姿的中的應用

本文把加速度傳感器作為檢測的模塊，一方面可用來(lái)防止坐姿的不當，提醒本人注意坐姿，另一方面可用來(lái)做運動(dòng)的測量裝置如(計步器)(燈光調節器)(音樂(lè )調節器)?？砂阉鳛橐粋€(gè)運動(dòng)檢測的擴展平臺，故其具有廣闊的應用前景。

　　坐姿糾正系統

　　本設計主要是完成對頸部、背部、腰部以及腿部的測量。首先是靜止狀態(tài)下頸部和背部的檢測。有關(guān)數據表明：人體在正常情況下，當脊柱的傾斜度偏離正常生理彎曲大于15度，時(shí)間達到40~50秒，就有可能形成不良姿勢習慣。這時(shí)利用置于頸部的加速度傳感器給出的傾斜度數據進(jìn)行報警提醒，對于初始的人體正常生理彎曲，將設定一個(gè)固定的門(mén)限值，以針對不同的對象，來(lái)得到最佳的報警提示。其次是運動(dòng)狀態(tài)下時(shí)腰部和腿部的檢測?，F在各公司一般都會(huì )為職工提供方便而舒心的健身場(chǎng)所，此時(shí)可以把加速度傳感器置于腰際，這樣，當人們行走時(shí)就可以通過(guò)檢測加速度和角度的周期變化，得到行走的大體頻率，知道人體的正常步距，就可以知道人體總的行走長(cháng)度?？梢园堰@些信息實(shí)時(shí)用LCD 顯示，也可以傳給上位機，以方便后續的處理和應用。另外還可以把加速度傳感器置于人體的不同部位，當人們運動(dòng)時(shí)把運動(dòng)數據利用 XBee發(fā)回電腦作統計與分析，這樣通過(guò)傳感器給出的綜合信號，來(lái)給健身的人們一個(gè)綜合的反饋信息，相信在下次運動(dòng)時(shí)一定會(huì )對其健身的力度、方式、姿勢有更好的改進(jìn)。另外還可以充分利用XBee 網(wǎng)絡(luò )的易擴張性，增加一些室外的調節功能：如在運動(dòng)室增加燈光的調節功能，隨運動(dòng)的節奏來(lái)調節燈光，增加音樂(lè )的調節功能，隨運動(dòng)的節奏調節上位機的音樂(lè )，即當動(dòng)作慢時(shí)燈光、音樂(lè )節奏較舒緩，反之則節奏較明快。這樣人們可以盡情放松，這些功能將在以后的逐步的添加和實(shí)現。

　　系統的硬件設計

　　系統的主要組成

　　MXT8051器件

　　這里使用的MXT8051具有眾多IO接口，如ADC、PWM 、LCD driver以及URAT。對于SPI 和I2C總線(xiàn)，可以利用多余的IO口采取軟件模擬的方法獲取。在本設計中，PMW可以驅動(dòng)揚聲器，給使用者以提醒;LCD driver可以直接驅動(dòng)LCD;而軟件模擬的SPI和I2C總線(xiàn)則用于加速度傳感器和MCU控制器的連接，可以說(shuō)達到了物盡其用的目的。ADXL345加速度器件

　　這里采用三軸加速度傳感器ADXL345 。ADXL345 是具有數字輸出的三軸加速度傳感器，具有可切換的靈敏度和可調的帶寬范圍，最高可達16g的靈敏度。最重要的是其具有可編程設計的中斷喚醒功能，從而避免了連續時(shí)間的檢測，這正符合檢測時(shí)的低功耗要求。

　　Zigbee器件

　　現在Zibbee 已經(jīng)從單一的射頻器件，發(fā)展到綜合的SoC產(chǎn)品，這里充分利用了Dig公司的XBee 模塊產(chǎn)品，其是增強型的Zigbee模塊，具有極高的集成度，可以減少體積，也可以減少功耗，同時(shí)方便組網(wǎng)。

　　機械器件的設計

　　從表1可以看出人體正常的坐姿標準，利用這些數據，一方面可以為上位機的軟件設計提供一標準數據庫，及時(shí)給予報警提示，另一方面還為機械方面的設計提供了條件，這里可以設計相應的機械糾正設備，如在椅子部分加裝微型電機，調節測試者距離椅子的距離以及座椅的姿態(tài)，來(lái)達到機械強制糾正的目的。

　　總之本文的目的是把設備應用到姿態(tài)的檢測上，必須充分考慮功耗和體積這些問(wèn)題，而這里器件的選擇充分滿(mǎn)足了這些要求。

　　系統的硬件主要框圖

　　這里共用了3組XBee，其中1號XBee和加速度傳感器組成了基本的檢測模塊，可以稱(chēng)之為主機，來(lái)完成對人體靜止和運動(dòng)時(shí)的姿態(tài)檢測;2號XBee負責與MXT8051通信，而MXT8051負責底層的驅動(dòng)控制如LCD 、Speaker 以及電機驅動(dòng)等，另外定時(shí)的警告信號都由這一模塊完成傳輸，故數據傳輸任務(wù)較重;3號XBee主要來(lái)完成上位機接口的通信，這里考慮到信息存儲的容量，以及燈光和音樂(lè )控制的復雜性，采用上位機來(lái)存儲控制以及處理。

　　系統的軟件設計

　　系統軟件主要由上位機軟件和下位機軟件組成，上位機軟件主要負責信息的存儲、控制及處理，當采集到大量的信息時(shí)，可以通過(guò)Zigbee 模塊把采集到信息存入上位機數據庫中。除此以外還設計了一個(gè)坐姿的控制提示界面。如圖2 所示。下一步需要做的則是在這個(gè)基礎上加以設計和改進(jìn)。

　　下位機軟件則包括信號采集和結果顯示所必須的一些模塊的初始化，如LCD、 URAT、 PWM 、Zigbee等。

　　系統軟件總體流程圖

　　系統軟件總體流程如圖3所示。檢測模塊的框圖

　　首先是單片機的初始化，其次是加速度值的采集，這里利用中斷方式來(lái)讀取數值加速度值，可以減少功耗、提高效率，接著(zhù)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)串口Zigbee發(fā)送FIFO(先進(jìn)先出)內存塊上的加速度數值，最終由上位機通過(guò)分析綜合來(lái)控制相應的設備執行各自的動(dòng)作。其流圖如圖 4所示。

　　實(shí)驗結果與特點(diǎn)分析

　　產(chǎn)品的實(shí)物圖如圖5所示。

　　產(chǎn)品性能優(yōu)勢

　　充分利用了MXT8051的資源，極大地降低檢測設備的體積和功耗。采用了ADXL345加速度傳感器，一方面由于其具有極低的功耗特色，符合人體長(cháng)時(shí)間攜帶的需求，另一方面由于MEMS器件的價(jià)格會(huì )越來(lái)越便宜，所以具有較高的性?xún)r(jià)比。采用Zigbee，方便擴展和聯(lián)網(wǎng)，這是以后擴展其它功能以及實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸的關(guān)鍵所在，且具有高度的穩定性。

　　該系統做為運動(dòng)檢測的擴展平臺，具有足夠多的擴展接口，便于后續的開(kāi)發(fā)。不足與改進(jìn)

　　設計隨身攜帶的部分時(shí)，檢測模塊體積較大，成型時(shí)可選用紐扣這樣的鋰電池來(lái)達到減少體積和發(fā)熱量的目的。

　　結語(yǔ)

　　本文創(chuàng )新性的把MEMS加速度傳感器用于人體坐姿的檢測和糾正，隨著(zhù)集成電路的發(fā)展，現在MEMS加速度傳感器的價(jià)格已經(jīng)大幅度下降且應用也愈加廣泛，而其在運動(dòng)器材方面的應用也顯現出獨有的特色，可以說(shuō)本系統具有較高的性?xún)r(jià)比。

　　由于MCU MXT8051可以用在血壓計方面，利用本設計功能的易擴展性，可以方便的把血壓計的功能也加進(jìn)去，這樣使設計由電腦病克星—坐姿糾正儀，變?yōu)槿梭w健康儀。

　　隨著(zhù)微電子器件的發(fā)展和人們對健康的更高追求，相信本設計會(huì )有其廣闊的發(fā)展潛力和空間。