基于51單片機(jī)和加速度傳感器在人體坐姿的中的應(yīng)用

本文把加速度傳感器作為檢測的模塊，一方面可用來防止坐姿的不當(dāng)，提醒本人注意坐姿，另一方面可用來做運(yùn)動(dòng)的測量裝置如(計(jì)步器)(燈光調(diào)節(jié)器)(音樂調(diào)節(jié)器)?？砂阉鳛橐粋€(gè)運(yùn)動(dòng)檢測的擴(kuò)展平臺(tái)，故其具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　坐姿糾正系統(tǒng)

　　本設(shè)計(jì)主要是完成對(duì)頸部、背部、腰部以及腿部的測量。首先是靜止?fàn)顟B(tài)下頸部和背部的檢測。有關(guān)數(shù)據(jù)表明：人體在正常情況下，當(dāng)脊柱的傾斜度偏離正常生理彎曲大于15度，時(shí)間達(dá)到40~50秒，就有可能形成不良姿勢習(xí)慣。這時(shí)利用置于頸部的加速度傳感器給出的傾斜度數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提醒，對(duì)于初始的人體正常生理彎曲，將設(shè)定一個(gè)固定的門限值，以針對(duì)不同的對(duì)象，來得到最佳的報(bào)警提示。其次是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)腰部和腿部的檢測。現(xiàn)在各公司一般都會(huì)為職工提供方便而舒心的健身場所，此時(shí)可以把加速度傳感器置于腰際，這樣，當(dāng)人們行走時(shí)就可以通過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度?？梢园堰@些信息實(shí)時(shí)用LCD 顯示，也可以傳給上位機(jī)，以方便后續(xù)的處理和應(yīng)用。另外還可以把加速度傳感器置于人體的不同部位，當(dāng)人們運(yùn)動(dòng)時(shí)把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)利用 XBee發(fā)回電腦作統(tǒng)計(jì)與分析，這樣通過傳感器給出的綜合信號(hào)，來給健身的人們一個(gè)綜合的反饋信息，相信在下次運(yùn)動(dòng)時(shí)一定會(huì)對(duì)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(kuò)張性，增加一些室外的調(diào)節(jié)功能：如在運(yùn)動(dòng)室增加燈光的調(diào)節(jié)功能，隨運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏來調(diào)節(jié)燈光，增加音樂的調(diào)節(jié)功能，隨運(yùn)動(dòng)的節(jié)奏調(diào)節(jié)上位機(jī)的音樂，即當(dāng)動(dòng)作慢時(shí)燈光、音樂節(jié)奏較舒緩，反之則節(jié)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(xiàn)。

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)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(duì)于SPI 和I2C總線，可以利用多余的IO口采取軟件模擬的方法獲取。在本設(shè)計(jì)中，PMW可以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，給使用者以提醒;LCD driver可以直接驅(qū)動(dòng)LCD;而軟件模擬的SPI和I2C總線則用于加速度傳感器和MCU控制器的連接，可以說達(dá)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(shù)字輸出的三軸加速度傳感器，具有可切換的靈敏度和可調(diào)的帶寬范圍，最高可達(dá)16g的靈敏度。最重要的是其具有可編程設(shè)計(jì)的中斷喚醒功能，從而避免了連續(xù)時(shí)間的檢測，這正符合檢測時(shí)的低功耗要求。

　　Zigbee器件

　　現(xiàn)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(qiáng)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(jī)械器件的設(shè)計(jì)

　　從表1可以看出人體正常的坐姿標(biāo)準(zhǔn)，利用這些數(shù)據(jù)，一方面可以為上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)提供一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，及時(shí)給予報(bào)警提示，另一方面還為機(jī)械方面的設(shè)計(jì)提供了條件，這里可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械糾正設(shè)備，如在椅子部分加裝微型電機(jī)，調(diào)節(jié)測試者距離椅子的距離以及座椅的姿態(tài)，來達(dá)到機(jī)械強(qiáng)制糾正的目的。

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

　　系統(tǒng)的硬件主要框圖

　　這里共用了3組XBee，其中1號(hào)XBee和加速度傳感器組成了基本的檢測模塊，可以稱之為主機(jī)，來完成對(duì)人體靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)檢測;2號(hào)XBee負(fù)責(zé)與MXT8051通信，而MXT8051負(fù)責(zé)底層的驅(qū)動(dòng)控制如LCD 、Speaker 以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，另外定時(shí)的警告信號(hào)都由這一模塊完成傳輸，故數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)較重;3號(hào)XBee主要來完成上位機(jī)接口的通信，這里考慮到信息存儲(chǔ)的容量，以及燈光和音樂控制的復(fù)雜性，采用上位機(jī)來存儲(chǔ)控制以及處理。

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成，上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)信息的存儲(chǔ)、控制及處理，當(dāng)采集到大量的信息時(shí)，可以通過Zigbee 模塊把采集到信息存入上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中。除此以外還設(shè)計(jì)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(chǔ)上加以設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

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

　　系統(tǒng)軟件總體流程圖

　　系統(tǒng)軟件總體流程如圖3所示。檢測模塊的框圖

　　首先是單片機(jī)的初始化，其次是加速度值的采集，這里利用中斷方式來讀取數(shù)值加速度值，可以減少功耗、提高效率，接著是通過無線串口Zigbee發(fā)送FIFO(先進(jìn)先出)內(nèi)存塊上的加速度數(shù)值，最終由上位機(jī)通過分析綜合來控制相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行各自的動(dòng)作。其流圖如圖 4所示。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shè)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)越來越便宜，所以具有較高的性價(jià)比。采用Zigbee，方便擴(kuò)展和聯(lián)網(wǎng)，這是以后擴(kuò)展其它功能以及實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)年P(guān)鍵所在，且具有高度的穩(wěn)定性。

　　該系統(tǒng)做為運(yùn)動(dòng)檢測的擴(kuò)展平臺(tái)，具有足夠多的擴(kuò)展接口，便于后續(xù)的開發(fā)。不足與改進(jìn)

　　設(shè)計(jì)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達(dá)到減少體積和發(fā)熱量的目的。

　　結(jié)語

　　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，隨著集成電路的發(fā)展，現(xiàn)在MEMS加速度傳感器的價(jià)格已經(jīng)大幅度下降且應(yīng)用也愈加廣泛，而其在運(yùn)動(dòng)器材方面的應(yīng)用也顯現(xiàn)出獨(dú)有的特色，可以說本系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。

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

　　隨著微電子器件的發(fā)展和人們對(duì)健康的更高追求，相信本設(shè)計(jì)會(huì)有其廣闊的發(fā)展?jié)摿涂臻g。