一種具有測距功能的腳腕式計步裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有測距功能的腳腕式計步裝置，屬于人體運動信息檢測技術領域。包括外殼、電路板、三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線。外殼通過腕帶配戴在腳腕處，電路板固定在外殼上，三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線等電子元器件固定在電路板上；三軸微機械加速度計的信號輸出端與籃牙模塊中的單片機信號輸入端相連接，籃牙模塊的射頻信號輸出端與藍牙天線的信號輸入端相連接。本發明的腳腕式計步裝置可以精確測量行走時每一步的距離，為精確計算卡路里消耗量和燃燒脂肪量提供準確的基礎數據；而且測量靈敏度較高，大幅度提高了加速度輸出信號的信噪比，對電梯、交通工具等外界振動干擾不敏感。
【專利說明】
一種具有測距功能的腳腕式計步裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種具有測距功能的腳腕式計步裝置，屬于人體運動信息檢測技術領域。
【背景技術】
[0002]近年來人們的生活方式發生了重大變化，導致人類身體運動的機會越來越少，隨之而來的是肥胖、高血脂等生活方式病越來越多。而要解決這一情況，步行被認為是最有效的方式。計步器作為一種便攜式健康管理工具，能夠量化并監測人們的日常行走鍛煉的步數、步行中卡路里消耗量和燃燒脂肪量，讓人們可以很精確地對自己的健康進行管理，達到適量運動的目的，因而計步器獲得了越來越廣泛的應用。
[0003]人在行走過程中的卡路里消耗量和燃燒脂肪量與行走的速度和距離密切相關，但現有的計步器在計算卡路里消耗量和燃燒脂肪量時，主要依據用戶自己輸入的步距、計步器測得的步頻和運動時間來計算行走速度和行走距離。由于用戶對行走步距的估計數據誤差較大，再加上行走過程中步距經常會發生變化，因此現有計步器的卡路里消耗量和燃燒脂肪量計算結果誤差就會很大。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提出具有測距功能的腳腕式計步裝置，通過三軸加速度計分別檢測行走時腳腕處的垂直和前向加速度，利用行走時腳底撞擊地面產生的垂直加速度進行計步，利用腳腕處的前向加速度進行距離測量，可精確獲得每一步的行走時間和行走距離，從而為精確計算卡路里消耗量和燃燒脂肪量提供準確的基礎數據。
[0005]本發明提出的具有測距功能的腳腕式計步裝置，包括外殼、電路板、三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線;所述的外殼通過腕帶戴在腳腕處，所述的電路板固定在外殼上，所述的三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線固定在電路板上;三軸微機械加速度計的信號輸出端與籃牙模塊的信號輸入端相連接，籃牙模塊的射頻信號輸出端與藍牙天線的信號輸入端相連接；
[0006]外殼，用于輸入腳底間歇性撞擊地面產生的振動和腳腕的前向運動，外殼通過腕帶固定在腳腕處；
[0007]三軸微機械加速度計，用于將腳底間歇性撞擊地面和腳腕前向運動產生的加速度物理信號轉變成電信號，三軸微機械加速度計的Z軸敏感方向垂直于腳底，X和Y軸敏感方向平行于腳底;Z軸方向的加速度測量值Az就是腳腕處的垂直加速度，X和Y軸的輸出信號分別為Ax和Ay，Ax和Ay的合成加速度就是腳腕處的前向加速度；
[0008]籃牙模塊，內置的單片機首先對Z軸方向的加速度測量值Az(即垂直加速度)的峰值進行檢測和計數，得到行走的步數;然后對X軸和Y軸的輸出信號Ax和Ay進行合成，得到前向運動加速度，對前向運動加速度再進行二次積分，可實時獲得行走時的距離;最后將計步數據和距離數據調制成射頻信號輸出給藍牙天線；
[0009]電路板，用于固定并連接三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線，并將外殼的垂直振動和前向運動傳遞給三軸微機械加速度計。
[0010]本發明提出的具有測距功能的腳腕式計步裝置，其優點是，利用三軸微機械加速度計分別檢測行走時腳腕處的垂直和前向加速度，利用行走時腳底撞擊地面產生的垂直加速度進行計步，利用腳腕處的前向加速度進行距離測量。與現有的計步裝置相比，本發明提出的腳腕式計步裝置可以精確測量行走時每一步的距離，為精確計算卡路里消耗量和燃燒脂肪量提供準確的基礎數據;此外，由于三軸微機械加速度計接近腳底(振動源)，避免了膝關節、髖關節和脊椎等身體器官對腳底振動的緩沖，因此測量的靈敏度高，大幅度提高了加速度傳感器輸出信號的信噪比，對電梯、交通工具等外界振動干擾不敏感。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明提出的具有測距功能的腳腕式計步裝置的結構示意圖。
[0012]圖2是本發明提出的腳腕式計步裝置的電路原理框圖。
[0013]圖3是本發明提出的腳腕式計步裝置的加速度計算原理圖。
[0014]圖4是本發明提出的腳腕式計步裝置的測量原理圖。
[0015]圖1中，I是外殼，2是三軸微機械加速度計，3是內置單片機的籃牙模塊，4是藍牙天線，5是計步裝置電路板。
【具體實施方式】
[0016]本發明提出的具有測距功能的腳腕式計步裝置，其結構示意圖圖1所示，包括:夕卜殼1、電路板5、三軸微機械加速度計2、內置單片機的籃牙模塊3、藍牙天線4;外殼I通過腕帶固定在腳腕上；電路板4通過螺釘固定在外殼上。三軸微機械加速度計2、內置單片機的籃牙模塊3和藍牙天線4等電子元器件固定在電路板4上;三軸微機械加速度計的信號輸出端與籃牙模塊3內的單片機信號輸入端相連接，籃牙模塊3的信號輸出端與藍牙天線4的信號輸入端相連接，如圖2所示。
[0017]本裝置的各器件的功能為:
[0018]外殼I，用于輸入腳底撞擊地面時產生的垂直振動和腳腕的前向運動。
[0019]三軸微機械加速度計2，用于將外殼I產生的垂直和前向加速度物理信號轉變成電信號；
[0020]籃牙模塊3，內置單片機首先根據三軸微機械加速度計2的Z軸輸出信號Az，判斷垂直加速度電信號的峰值并進行計數;然后將X和Y軸的輸出信號Ax和Ay合成為前向加速度，并對前向加速度進行二次積分，實時獲得步距數據；最后將計步數據和步距數據調制成2.4GHz的射頻信號輸出給藍牙天線4;
[0021]藍牙天線4，用于將籃牙模塊3輸出的2.4GHz射頻信號以無線方式傳輸到智能手機，由智能手機APP應用軟件顯示行走的步數和步距，并根據計步數據、距離數據和步頻，計算和顯示行走過程中的卡路里消耗量和燃燒脂肪量；
[0022]電路板5，用于固定并連接三軸微機械加速度計2、籃牙模塊3和藍牙天線4，并將外殼I的垂直振動和前向運動傳遞給三軸微機械加速度計2。
[0023]本發明的腳腕式計步裝置的一個實施例中，使用ST公司生產的LIS3DH三軸MEMS微機械加速度計;使用TI公司生產的CC2541籃牙模塊，該模塊內置有增強型8051M⑶、256KB可編程閃存和8KB RAM;使用Johanson公司的2450AT45A100陶瓷貼片天線。
[0024]本發明的具有測距功能的腳腕式計步裝置，其中的三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線等電子元器件固定在電路板上，電路板固定在外殼內，整個計步裝置用腕帶佩戴在使用者的腳腕處。
[0025]本發明具有測距功能的腳腕式計步裝置的工作原理是:
[0026]人在行走過程中會不斷抬腳落腳，落腳時腳底與地面會發生間歇性的撞擊，撞擊產生的振動通過腳腕傳導到計步裝置中的三軸微機械加速度計2上，三軸微機械加速度計2的Z軸敏感方向垂直于腳底，可將振動產生的垂直加速度物理信號轉變成為電信號，籃牙模塊3中的單片機對垂直加速度電信號進行閾值判斷，就能進行計數。如圖3所示，X、Y、Z軸分別為三軸加速度計的三個敏感方向，Ax、Ay、Az分別為Χ、Υ、Ζ三軸方向的加速度測量值。設計時，使Z軸垂直于腳底，Az就是垂直加速度;行走時腳腕只有前向運動，沒有側向運動，因此Ax和Ay的合成加速度就是前向加速度。
[0027]行走時腳腕的前向運動會產生前向運動加速度，如圖4所示，三軸微機械加速度計2的X和Y軸敏感方向雖然不固定，但由于行走時腳腕只有前向運動，不可能有側向運動，因此X和Y軸方向的測量加速度輸出值Ax和Ay的合成加速度就是前向加速度。
[0028]行走過程中，每次腳底全部落地時，腳與地面沒有相對運動，即腳的前向運動速度為零。利用行走過程中，腳落地時前向速度為零這一特性，計算每一步的行走距離(步距)時，將初始速度清零，可消除距離測量過程中的積分累計誤差。
[0029]籃牙模塊3最后將計步數據和步距數據調制成2.4GHz的射頻信號輸出給藍牙天線4，藍牙天線4將射頻信號以無線方式傳輸到智能手機，智能手機APP應用軟件顯示行走的步數和步距，并根據計步數據、步距數據和步頻，計算和顯示行走過程中的卡路里消耗量和燃燒脂肪量。
[0030]本發明提出的具有測距功能的腳腕式計步裝置，利用三軸加速度計分別檢測行走時腳腕處的垂直和前向加速度，利用行走時腳底撞擊地面產生的垂直加速度進行計步，利用腳腕處的前向加速度進行距離測量。與現有的計步裝置相比，本發明提出的腳腕式計步裝置可以精確測量行走時的每一步距離，為精確計算卡路里消耗量和燃燒脂肪量提供準確的基礎數據;此外，由于三軸加速度計接近腳底(振動源)，避免了人體對腳底振動的緩沖，因此測量的靈敏度較高，大幅度提高了加速度輸出信號的信噪比，對電梯、交通工具等外界振動干擾不敏感。
【主權項】
1.一種具有測距功能的腳腕式計步裝置，其特征在于，該計步裝置包括外殼、電路板、三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線;所述的外殼通過腕帶戴在腳腕處，所述的電路板固定在外殼上，所述的三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線固定在電路板上;三軸微機械加速度計的信號輸出端與籃牙模塊的信號輸入端相連接，籃牙模塊的射頻信號輸出端與藍牙天線的信號輸入端相連接； 外殼，用于輸入腳底間歇性撞擊地面產生的振動和腳腕的前向運動，外殼通過腕帶固定在腳腕處； 三軸微機械加速度計，用于將腳底間歇性撞擊地面和腳腕前向運動產生的加速度物理信號轉變成電信號，三軸微機械加速度計的Z軸敏感方向垂直于腳底，X和Y軸敏感方向平行于腳底;Z軸方向的加速度測量值Az就是腳腕處的垂直加速度，X和Y軸的輸出信號分別為Ax和Ay，Ax和Ay的合成加速度就是腳腕處的前向加速度； 籃牙模塊，內置的單片機首先對Z軸方向的加速度測量值Az的峰值進行檢測和計數，得到行走的步數;然后對X軸和Y軸的輸出信號Ax和Ay進行合成，得到前向運動加速度，對前向運動加速度再進行二次積分，可實時獲得行走時的距離;最后將計步數據和距離數據調制成射頻信號輸出給藍牙天線； 電路板，用于固定并連接三軸微機械加速度計、籃牙模塊和藍牙天線，并將外殼的垂直振動和前向運動傳遞給三軸微機械加速度計。
【文檔編號】G01C22/00GK105910621SQ201610465907
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】高宏, 徐學雷
【申請人】紫光股份有限公司