基于51單片機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，提醒本人注意坐姿，另一方面可用來做運動的測量裝置如(計步器)(燈光調(diào)節(jié)器)(音樂調(diào)節(jié)器)?？砂阉鳛橐粋€運動檢測的擴展平臺，故其具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　坐姿糾正系統(tǒng)

　　本設(shè)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(shù)據(jù)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，時間達到40~50秒，就有可能形成不良姿勢習慣。這時利用置于頸部的加速度傳感器給出的傾斜度數(shù)據(jù)進行報警提醒，對于初始的人體正常生理彎曲，將設(shè)定一個固定的門限值，以針對不同的對象，來得到最佳的報警提示。其次是運動狀態(tài)下時腰部和腿部的檢測。現(xiàn)在各公司一般都會為職工提供方便而舒心的健身場所，此時可以把加速度傳感器置于腰際，這樣，當人們行走時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@些信息實時用LCD 顯示，也可以傳給上位機，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，當人們運動時把運動數(shù)據(jù)利用 XBee發(fā)回電腦作統(tǒng)計與分析，這樣通過傳感器給出的綜合信號，來給健身的人們一個綜合的反饋信息，相信在下次運動時一定會對其健身的力度、方式、姿勢有更好的改進。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(diào)節(jié)功能：如在運動室增加燈光的調(diào)節(jié)功能，隨運動的節(jié)奏來調(diào)節(jié)燈光，增加音樂的調(diào)節(jié)功能，隨運動的節(jié)奏調(diào)節(jié)上位機的音樂，即當動作慢時燈光、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現(xiàn)。

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　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)計中，PMW可以驅(qū)動揚聲器，給使用者以提醒;LCD driver可以直接驅(qū)動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16g的靈敏度。最重要的是其具有可編程設(shè)計的中斷喚醒功能，從而避免了連續(xù)時間的檢測，這正符合檢測時的低功耗要求。

　　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，同時方便組網(wǎng)。

　　機械器件的設(shè)計

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

　　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，來完成對人體靜止和運動時的姿態(tài)檢測;2號XBee負責與MXT8051通信，而MXT8051負責底層的驅(qū)動控制如LCD 、Speaker 以及電機驅(qū)動等，另外定時的警告信號都由這一模塊完成傳輸，故數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)較重;3號XBee主要來完成上位機接口的通信，這里考慮到信息存儲的容量，以及燈光和音樂控制的復雜性，采用上位機來存儲控制以及處理。

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)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，可以通過Zigbee 模塊把采集到信息存入上位機數(shù)據(jù)庫中。除此以外還設(shè)計了一個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基礎(chǔ)上加以設(shè)計和改進。

　　下位機軟件則包括信號采集和結(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(先進先出)內(nèi)存塊上的加速度數(shù)值，最終由上位機通過分析綜合來控制相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行各自的動作。其流圖如圖 4所示。

　　實驗結(jié)果與特點分析

　　產(chǎn)品的實物圖如圖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，符合人體長時間攜帶的需求，另一方面由于MEMS器件的價格會越來越便宜，所以具有較高的性價比。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)做為運動檢測的擴展平臺，具有足夠多的擴展接口，便于后續(xù)的開發(fā)。不足與改進

　　設(shè)計隨身攜帶的部分時，檢測模塊體積較大，成型時可選用紐扣這樣的鋰電池來達到減少體積和發(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加速度傳感器的價格已經(jīng)大幅度下降且應(yīng)用也愈加廣泛，而其在運動器材方面的應(yīng)用也顯現(xiàn)出獨有的特色，可以說本系統(tǒng)具有較高的性價比。

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

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