基于三维加速度计的便携式运动能耗测量仪的设计
基于三维加速度计的便携式运动能耗测量仪的设计DOI :10.19557/ki.1001-9944.2018.10.023焦纯,秦夏臻,师航,唐明,霍旭阳(西安培华学院智能科学与信息工程学院,西安710125)摘要:基于加速度计的人体运动能耗测量方法的有效性已经被近几年的研究所证实。
结合微功耗及微型化的总体设计要求,文中阐述了一种利用三维加速度传感器测量人体运动能耗的便携式测量仪器的设计方案,并具体探讨了该测量仪的总体设计思路及主要功能单元的实现方法。
关键词:人体测量仪;身体运动能耗;三维加速度计;微功耗中图分类号:TH79;TH824+.4文献标志码:A文章编号:1001⁃9944(2018)10⁃0099⁃05Design of Portable Measuring Instrument for Assessing Physical Activity Energy Expenditure Based on Triaxial AccelerometerJIAO Chun ,QIN Xia ⁃zhen ,SHI Hang ,TANG Ming ,HUO Xu ⁃yang(Intelligent Science &Information Engineering College ,Xi ’an Peihua University ,Xi ’an 710125,China )Abstract :Many studies have confirmed the validity when physical activity energy expenditure is assessed by ac ⁃celerometer in recent years.In this paper ,combined with the general requirements of low ⁃power design and miniatur ⁃ization design ,the design scheme of a portable measuring instrument for assessing physical activity energy expenditure based on triaxial accelerometer was expounded.And also the overall design ideas of the portable measuring instru ⁃ment and the realization method of main functional units were illustrated in detail.Key words :measuring instruments for anthropometry ;physical activity energy expenditure ;triaxial accelerometer ;low power收稿日期:2018-08-22;修订日期:2018-09-08基金项目:西安培华学院科研重点项目(PHKT17017);陕西省自然科学基础研究计划项目(2018JM7037025)作者简介:焦纯(1973—),男,博士,教授,研究方向为微机应用控制、智能仪器设计以及生物医学信号处理等。
日常的体育锻炼或训练是人们增进健康的主要形式,适度的身体运动(physical activity )可以使成年人的早期死亡率下降20%~30%,使冠心病、II 型糖尿病、中风等慢性疾病发病率下降50%。
运动还可以减缓肌肉的衰退,保持骨健康,并促进儿童生长发育。
不仅如此,研究者们还通过流行病学研究证实运动与健康之间存在明确的剂量反应关系,而且这种剂量反应关系在不同性别、不同年龄的人群中均存在。
在进行运动健康管理的过程中,无论是研究运动与健康或疾病的关系,还是进行运动干预的相关研究,准确地评估运动过程中的能量消耗都是一个关键问题。
为此,国内外的研究者们一直在寻找适用于运动现场及日常运动条件下人体运动能耗的测量方法。
该方法应能够对运动强度进行连续监测,不仅要操作简便,自动化程度高,成本低,可靠性及准确性较高,还要有较好的便携性,测量过程中不影响人体的正常运动。
1系统总体设计1.1工作原理近些年,随着微电子及计算机技术的发展,越来越多的研究者开始采用加速度计(即加速度传感器)来研究运动能耗评估问题。
加速度计是基于牛顿力学定律,通过测量身体加速度绝对值的积分,通过身体运动的持续时间和强度的测量对身体活动提供客观的评估。
研究者们已经通过大量的科学试验证明:身体运动加速度的绝对值对时间的积分与能量或耗氧量成线性关系,即加速度计输出与运动能耗具有高度的相关性[1-2]。
这为利用加速度计评估人体运动能耗提供了具体的理论依据。
三维加速度计,能够同时测量垂直向、前后向及侧向的人体运动加速度,在感知运动类型及运动强度方面具有明显优势,能够更加准确地反映人体的实际运动状况。
同时,由于近年来微电子技术和制造工艺的进步,越来越多的三维加速度计被用于人体运动能耗测量技术的研究,采用三维加速度计评估运动能耗的信度和效度也得到越来越多的研究证实[3-7]。
文献[8]总结了在PubMed 医学文献检索服务系统中,以“accelerom*”和“physical activity ”为关键词所检索的1924篇相关论文的研究结果,得出“基于加速度计的运动能耗测量方法已经彻底改革了人体运动评估领域的研究”的结论。
基于此,由于在操作简便性、实用性及成本方面具有突出优势,基于三维加速度计的运动能耗测量方法目前已被研究者们确认为最具有应用前景的人体运动能耗评估方法。
1.2总体设计运动能耗测量仪是依靠电池供电的便携式单片机应用系统。
该测量仪能在运动现场采集、处理并存储人体运动信息,监测运动状态,计算人体运动过程中产生的运动能耗。
同时,通过测量仪内置的控制程序及各功能程序,能完成设定的运动干预功能。
运动能耗测量仪的硬件和软件结构如图1所示。
由于运动能耗测量仪需要在运动现场连续监测及记录运动信息,其现场使用性对系统整体的微功耗设计要求较高。
即整个系统应具有较低的静态功耗和较低的、可控制的动态功耗,以延长测量仪的使用时间。
同时,该测量仪应体积小,重量轻,方便运动者佩带且不影响正常运动。
因此,微功耗及微型化设计是该系统的重要内容及难点。
系统中的元器件选择、电路设计及软件设计都应紧密围绕微功耗及微型化设计展开。
具体而言,便携式运动能耗测量仪需满足以下设计要求:1)能以较高精度采集人体的三维运动加速度信号,能连续存储较长时间的运动信息;2)能够定量评估人体运动能耗,并结合设定的阈值进行运动干预;3)具有友好的中文人机操作界面,操作简便,能够显示操作状态和提示信息;4)体积小,重量轻,能方便地佩带,采用锂离子电池供电。
如图1a 所示,三维加速度传感器实时采集人体运动过程中的三维运动加速度信号,并通过数字式接口将垂直向、前后向及侧向的加速度信号传输到中央控制单元,由其进行信号分析及完成运动能耗的计算;数据存储单元具有较大的存储容量,用于存储该系统内的运动数据及运动能耗的计算结果;显示与键盘接口单元提供了操作该系统的人机交互界面,并实现操作设置、汉字功能菜单显示、提示及状态信息显示等功能;时钟单元提供实时的时间坐标,为运动数据的有序存储提供可参照的时间刻度;测温单元为系统提供环境温度值,为运动能耗的计算提供温度参数;电源单元提供稳定的供电电压,具有较高的电源输出质量和效率。
(a )硬件结构数据存储单元数字式三维加速度传感器测温单元时钟单元中央控制单元显示与键盘接口单元电源单元(b )软件结构主控制程序数据串行接收程序数据读写程序液晶显示程序键盘响应程序时钟程序测温程序运动能耗计算程序图1运动能耗测量仪的硬件和软件结构Fig.1Hardware and software structure of the measuring instrument for assessing physical activity energy expenditure2具体实现方法2.1中央控制单元在测量仪系统中,中央控制单元采用TI公司的16位微控制器MSP430F149(简称F149)。
其优势在于具有突出的微功耗特性,功耗可以达到μA级,片内集成了丰富的外围功能模块,集成度高,运算能力强,功能强大。
F149集成有60kB的Flash ROM 和2kB的数据RAM,且具有硬件乘法器和2个支持SPI方式的串行接口,能够提升该系统的集成度,降低系统设计难度,能较大程度地提升系统的整体性能。
F149内部集成的串行接口支持异步通信方式,也支持SPI同步通信方式。
因此,F149可以直接通过工作于SPI方式的串行接口,接收三维加速度传感器发送的加速度数据;也可以通过串行接口,直接对串行Flash数据存储器进行数据读写操作。
F149片内具有2kB数据RAM,可以为运动数据的采集、读写、分析及相关计算提供充足的数据缓冲区,这对实现运动数据的实时采集、存储及能耗计算提供了较好的硬件保证,有利于提高系统的可靠性。
同时,F149的硬件及软件结构均针对低功耗的应用环境而设计,其有16个I/O引脚可以接收来自外部的中断请求信号,其中断和子程序调用无层次限制,具备5种低功耗模式,仅需6μs即可从低功耗模式被唤醒;而且其内的各个外围功能模块,均可在空闲时通过软件操作来关闭。
因此,基于MSP430F149的中央控制单元,可以方便地设计出基于中断结构的主控制程序和数据接收、数据读写、键盘响应、时钟、测温及能耗计算等功能程序,还可以通过软件程序对系统进行精细化的功耗管理。
2.2数字式三维加速度传感器该系统采用ADI公司的ADXL345芯片作为监测人体运动状态的三维加速度传感器。
ADXL345具有阈值监测和运动加速度测量功能,其最大量程为±16g,带宽达到1.6kHz,可输出16位二进制补码形式的数字信号,能够分辨小于1.0°的倾角变化,还可以感知有无运动发生。
由于人体运动加速度信号的幅度范围为-12g~12g,频率范围为0~20Hz,选用三维加速度传感器ADXL345能够满足系统所需的测量范围。
由于ADXL345内置有A/D转换器,能够直接输出补码形式的数字信号,使得系统中省去了实现放大、整形及滤波功能的信号调理单元,从而简化了系统设计,节省了电路板空间。
同时,ADXL345的供电范围为2.0~3.6V,支持SPI方式(三线或四线)或I2C方式的串行接口,因此其供电范围及接口形式均能与MSP430F149匹配,两者可以直接相连。
一种基于心率和加速度的运动能耗测量仪及测量方法[发明专利]
![一种基于心率和加速度的运动能耗测量仪及测量方法[发明专利]](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/99073b2ec381e53a580216fc700abb68a982addb.webp)
(10)申请公布号 CN 102727185 A(43)申请公布日 2012.10.17C N 102727185 A*CN102727185A*(21)申请号 201210249466.6(22)申请日 2012.07.18A61B 5/00(2006.01)(71)申请人重庆邮电大学地址400065 重庆市南岸区黄桷垭崇文路2号(72)发明人李章勇 陈小波 冷锐 姜瑜王伟 赵志强 张汇泉 刘圣蓉(74)专利代理机构北京同恒源知识产权代理有限公司 11275代理人江雪(54)发明名称一种基于心率和加速度的运动能耗测量仪及测量方法(57)摘要本发明实施例提供了一种运动能耗测量仪，包括人体个性化参数采集单元，用于采集和存储人体个性化参数；心率传感器，用于测量心率HR ；基础能耗计算单元，用于利用测量心率HR 和所述人体个性化参数计算基础能耗；加速度传感器，用于测量运动加速度；运动做功计算单元，用于利用运动加速度和所述体重W 计算对外做功；运动能耗计算单元，将基础能耗BEE 和对外做功EEact 相加，计算运动能耗；还提供了一种运动能耗测量方法；本发明建立基础能量消耗、心率和个性化参数的线性回归方程，利用加速度传感器测量运动加速度，进一步考虑不同方向的影响因素，结合体重在三个方向分别实施对外做功计算，将心率和运动加速度有效结合，提升了测量精度。
(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书8页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 3 页1.一种运动能耗测量仪，其特征在于，包括：人体个性化参数采集单元，用于采集和存储人体个性化参数，包括身高H 、体重W 、年龄Y 、性别G 和截止心率FLEX_HR ；心率传感器，用于测量心率HR ；基础能耗计算单元，用于利用测量心率HR 和所述人体个性化参数计算基础能耗BEE ；加速度传感器，用于测量运动加速度；运动做功计算单元，用于利用运动加速度和所述体重W 计算对外做功EE act ；运动能耗计算单元，将基础能耗BEE 和对外做功EE act 相加，计算运动能耗EE ，即EE=BEE+EE act 。
步行与慢跑中人体三维加速度计数与能量消耗关系初探
步行与慢跑中人体三维加速度计数与能量消耗关系初探管培培;丁宁炜;汤强【摘要】三轴加速度计应用是目前国内外关于人体运动量及能耗研究中的热点,探索其定量分析人体运动的信度与效度是目前实验室比较关注的。
选取44名非体育专业大学生,采用5.6km/h、6.4 km/h、8.0 km/h步速运动,利用间接热测定法做参考,分析步行与慢跑中三维加速度计数与能耗之间的相关性,不同性别下加速度计数的变化特点,以及不同身体指标间三维加速度计数与能耗之间变化差异。
研究结果认为,不同性别间在5.6km/h、6.4 km/h速度下摄氧量、垂直轴counts、合矢量counts都存在极显著性差异（P〈0.01）,而冠状轴、失状轴counts与摄氧量/kg不存在显著差异（P〈0.05）;而在8.0 km/h速度慢跑下,摄氧量与失状轴、垂直轴counts存在显著性差异,与合矢量counts间不存在显著性差异（P=0.07）;除性别外,身高、体重、去脂体重等身体指标与counts相关性均较低;调整性别和体重的影响后发现,垂直轴与合矢量counts与摄氧量、摄氧量/kg相关性极高（r〉0.85）,而与心率指标相关性稍低（r约为0.6）。
%The traxial-acelerometers,application in human exercise and energy expenditure is whole new research home and abroad.Exploration about the quantitative analysis of the movement reliability and validity is the concern of the laboratory study.The study selected 44 non-professional sports college students walked and jogged for 5.6km/h,6.4 km/h,8.0 km/h.Our study used indirect calorimetry for reference,analysed correlation of traxial-counts and energy expenditure,counts changing between different gender,differenceof counts and energy expenditure due to physical signs.The results indicate that,significantly difference existing between genders inVO2,vertical and vector counts when walked for 5.6km/h、6.4 km/h（P0.01）,but no significant differences in VO2/kg and counts of horizontal axis,3rd axis（P0.05）.When jogging with 8.0 km/h speed,it has significant differences in VO2,horizontal and vertical counts,but no significant differences in vector counts（P=0.07）.The correlation between counts and height,weight,fat weight is lower.Adjust the effect of gender and weight,we discovery that vertical,vector counts have high correlation with VO2,VO2/kg（r0.85）,and lower correlation with heart rate（approximately r≈0.6）.【期刊名称】《南京体育学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(010)006【总页数】4页(P7-10)【关键词】三轴加速度计;counts;能量消耗;摄氧量;摄氧量/kg;心率【作者】管培培;丁宁炜;汤强【作者单位】南京体育学院,江苏南京210014;江苏省体育科学研究所,江苏南京210033;江苏省体育科学研究所,江苏南京210033【正文语种】中文【中图分类】G804.491 前言本研究通过对比间接热量测定法，初步探索人体在步行与慢跑中合矢量三维加速度计数(counts)变化特点，人体各身体指标与counts变化之间的关系，以及三维(垂直轴、失状轴、冠状轴)各轴counts与能耗指标之间的相关性，为进一步校准基于counts的能耗方程做前期准备。
基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计毕业设计
基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计毕业设计基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计摘要计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。
早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。
晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。
计步器功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况。
而人的运动情况可以通过很多特性来进行分析。
比如人在运动时会产生加速度。
本文介绍了利用人运动时产生加速度变化来检测步数的计步器实现方案，利用具有体积小，功耗低，三轴高精度加速度传感器ADXL345，芯片内部即可把数据采集来的数据处理为数字数据，采集到加速度数据以后加以适当的算法就可以实现计步功能。
本文设计了一款基于加速度传感器ADXL345的计步器。
详细介绍了计步器的软件算法的实同时芯片中还集成了SPI和I²C接口，可以方便地将数据传输到主控芯片。
该系统设计简单，实现方便。
该芯片也可以扩展到其它需要测量加速度的应用场合，具有非常广阔的应用前景。
关键字：计步器加速度传感器ADXL345 低功耗基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计Based on three accelerometer ADXL345 company-wide functionalpedometer designAbstractPedometer is a popular daily exercise, can inspire people progress monitors challenge yourself, enhanced physique, help thin body. Early design of mechanical switch detection using aggravated with a simple steps, and the counter. When shaking these devices, can hear a metal ball slide back and forth, or a pendulum swings around percussion block pieces.Pedometer function can according to the calculated a people's movement situation to analyze a healthy condition of body. But the person's movements can pass a lot of properties for analysis. Such as people in motion produces acceleration. This paper describes the use of people move to detect changes generated when the acceleration of steps, utilization of implementation scheme pedometer, small size, low power consumption, high ADXL345 three axis acceleration sensor, chip can put the data acquisition to internal data processing for the digital data acquisition to acceleration data, after appropriate algorithm can achieve plan step function. This paper introduces the design of a paragraph of the pedometer ADXL345 based on acceleration sensor. Introduces the software algorithm real pedometer while the SPI has integrated chip I²C interface, and I can be conveniently data transmission to the main control chip. The system is simple in design, realization convenient. The chip can also extend to other need to measure the applications, the acceleration is very broad application prospect.KEY WORDS pedometer acceleration sensor ADXL345 low power consumption基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计毕业设计目录中文摘要 (I)英文摘要 (II)1 绪论 (1)2 课题研究背景及意义 (2)2.1 光电计步器 (2)2.2基于射频技术的短跑训练计步器 (4)2.3 基于加速度传感器的计步器 (5)3 ADXL3XX系列产品简介及本次设计方案的提出 (6)3.1 ADXL335, ADXL345和ADXL346三轴加速度计的区别 (7)3.1.1 ADXL335的简介、特点及功能框图 (7)3.1.2 ADXL346的简介、特点及功能框图 (9)3.1.3 ADXL345的简介、特点及功能框图 (11)3.2 本次系统总体设计方案的提出 (14)3.2.1 ADXL345中断及寄存器功能分析 (13)3.2.2 系统总体设计方案 (15)4 系统硬件设计各模块电路 (17)4.1 传感器电路连接模块 (17)4.1.1 ADXL345的两种串行通信模式简介 (16)4.1.2 传感器模块连接 (18)4.2 微处理器模块 (21)4.3 EEPROM模块 (22)4.4 显示模块 (23)5 软件设计 (27)基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计5.1 软件总体设计 (27)5.2 算法的实现 (28)6 结论 (32)致谢 (33)参考文献 (36)附录1 加速度计步器ADXL345简介 (38)附录2 整机电路图 (41)附录3 源程序 (41)1 绪论随着社会的发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们也越来越关注自己的健康。
基于三轴加速度计的腕式健康监测系统设计
１ 系 统 组 成
本 系 统 采 用 ＡＲＭ Ｃ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ—Ｍ ３ 内 核 的 Ｌ Ｍ３ Ｓ １ ８ １ １微
控 制 器 作 为 控 制 核 心 。 系 统 框 架 如 图 １所 示 ， Ｌ Ｍ３ Ｓ １ ８ １ １
计， 给 出 了各 模 块 的硬 件 接 口电路 以及 软 件 实现 方 法 ， 通 过 实 际 测试 得 到 了人 体 运 动 时 的加 速 度 信 息 ， 为 后 续 运 动 能 量 消 耗 的 研 究打 下 了基 础 。
关 键 词 ：三 轴 加 速 度 计 ； 微控制 器； 健 康 监 测
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｂ ｅ ｉ ｈ ａ ｎ ｇ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ １ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
在 Ｖ 一２ ． ５ Ｖ 的典 型 电 压 下 功 耗 电 流 约 为 ２ ５ ～１ ４ ０ ｔ ， Ａ，
升 温 。大 量 实 验 表 明人 体 运 动 加 速 度 的 绝 对 值 对 时 间 的
积 分 与 能 量 或 耗 氧 量 呈 线 性 关 系 ， 因 此 运 动 加 速 度 也
具 有 ±２ ｇ 、 ±４ 、 ±８ ｇ 、 ±１ ６ ｇ四种 可 变 的 测 量 范 围 ， 数 字 输 出数 据 为 １ ６位 二 进 制 补码 的 形式 ， 可通过 Ｓ Ｐ Ｉ （ ３线 或 ４ 线） 或Ｉ 。 Ｃ总 线 接 口对其 访 问 。它 可 以 在 倾 斜 检 测 应 用 中
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃｔ ： Ｔａ ｋｉ ｎ ｇ ＬＭ ３ Ｓ１ ８１１ ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏｌ ｌ ｅ ｒ ａ ｓ ｔ ｈｅ ｃ ｏ ｒ ｅ，ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈｅ ｔ ｈｒ ｅ ｅ — ａ ｘ ｉ ｓ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ＡＤＩ ＡＤＸ Ｌ３ ４５， ａ ｗｒ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎｅ ｄ ． Ｔ ｈｅ ｈａ ｒ ｄｗ ａ ｒ ｅ ｉ ｎｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｓ ａ ｎｄ ｓ ｏｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｉ ｍ ｐｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄｓ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎｔ ｅ ｄ，ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎｆ ｏ ｒ ｍ ａ— ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｆ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎｔ ｓ ｉ ｓ ａ ｃ ｈｉ ｅ ｖ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕｇ ｈ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ，ｗｈｉ ｃ ｈ ｌ ａ ｙｓ ａ ｆ ｏ ｕｎ ｄａ ｔ ｉ ｏｎ ｆ ｏ ｒ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏｎ ｅ ｎｅ ｒ ｇｙ ｃ ｏｎｓ ｕｍ ｐｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍｏｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄ ｓ：ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ａｘ ｉ ｓ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ；ｍ ｉ ｃ ｒ ０ｃ ｏ ｎｔ ｒ ０ ｌ １ ｅ ｒ； ｈｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｍｏ ｎｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎｇ
三轴运动加速度计(GT3X)测量青春期少年(11～14岁)身体活动能耗预测方程的建立和检验
三轴运动加速度计(GT3X)测量青春期少年(11～14岁)身体活动能耗预测方程的建立和检验朱琳;陈佩杰【摘要】研究目的:针对青春期少年建立基于走跑与非走跑运动为基础的三轴运动加速计能耗预测方程.研究方法:80名11～14岁初中生(每岁20人,男、女各半)按性别、年龄分成实验组(60人)和验证组(20人),同步佩戴Cosmed K4b2和ActiGraph GT3X对受试者进行8种常见身体活动测试.采用逐步回归方法,通过实验组建立以K4b2实测能耗值为因变量,以ACxis1、Axis2、Axis3、VM3、年龄、性别、身高、体重等为自变量,建立回归方程.将身体活动分为走跑类、走跑跳类、不规则活动类、日常活动类4种类型,通过验证组对所建方程进行验证;绝对误差和相对误差率用于验证方程预测准确性;Bland-Altman图用于确定系统偏差.结果:所建方程Y(kcal/min)=-1.471 +0.10440×体重(kg)+6.15209E-4×VM3(counts/min);R2=0.693,SEE=0.82,DW=1.734;F检验P＜0.001,说明自变量与因变量存在线性关系;自变量回归系数t检验P＜0.05,说明回归系数有意义;DW值表明误差项独立,回归模型可靠.对于四类活动,方程预测绝对误差为0.58～0.63 kcal/min,相对误差率为9.14％～11.81％;95％的残差均落在Bland-Altman散点图±2SD区间内,表明方程有较好的预测能力.结论:所建能耗预测方程有效,可有效监测青春期少年不同活动类型的能耗.【期刊名称】《中国体育科技》【年(卷),期】2014(050)003【总页数】5页(P73-77)【关键词】青春期少年;三轴运动加速计;身体活动;能耗;预测方程【作者】朱琳;陈佩杰【作者单位】上海体育学院省部共建教育部运动健身科技重点实验室,上海200438;广州体育学院运动与健康系,广东广州510075;上海体育学院运动科学学院,上海200438【正文语种】中文【中图分类】G804.491 前言Physical Activity即身体活动，也有人将其译为体力活动，是指由骨骼肌收缩产生的、使能量消耗增加的身体动作。
便携式运动参数记录仪的设计
摘要： 采用低功耗控制器设计的运动参数记录仪， 通过三维加速度传感器采集三维加速度数据计算运动 能耗 ， 同时采 集运 动 时的体 温和脉搏 ， 实 时采 集 的数据 可 现场 显 示 ， 并进 行存 储 。该 记 录仪 可通 过 Ｕ Ｓ Ｂ 接 口将数 据 上传给 上位机 进行 数据 的进 一步 分析 处理 。 关 键词 ： 运动 参数 ； 能耗 ； 三 维加速 度 ； Ｕ Ｓ Ｂ 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ２ １ ６ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ０— ８ ８ ２ ９ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ ｌ一 ０ ０ ０ ４— ０ ３
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ Ｐｏ ｒ ｔ ａ ｂｌ ｅ Ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｒｅ ｃ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ Ｘ Ｉ Ｏ Ｎ Ｇ Ｊ ｕ ｎ — ｑ ｉ ａ ｏ ， ＹＵ Ｘｉ ａ ｎ － ｊ ｉ ｅ ， Ｚ ＨＯ Ｕ Ｊ ｉ ａ ｎ － ｊ ｕ ｎ ， ＨＡ Ｏ Ｈ ａ ｏ — ｈ ａ ｏ ， Ｐ Ｅ Ｎ Ｇ Ｃ ｈ ｅ ｎ
２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ， ｇ Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ２ ０ ５ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计
基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计一、引言计步器是一种用于测量人体步数的设备，被广泛应用于健康管理、运动监测等领域。
本文基于3轴加速度计ADXL345，设计了一款全功能计步器，通过测量人体的步行运动来计算步数，并提供一些辅助功能，如距离测量、卡路里消耗等。
二、ADXL345加速度计简介ADXL345是一款微小、低功耗、3轴加速度计。
它可测量垂直于传感器平面的力、正负g力沿X、Y和Z三个轴的加速度。
ADXL345具有高分辨率（最高13位）、可调范围（±2g至±16g）和高速数据抽样率（最高3200Hz）等特点，适用于各种运动检测应用。
三、计步器设计原理计步器的设计原理基于人体行走时的加速度变化。
当人体行走时，腿部会受到地面的冲击力，导致加速度发生变化。
根据这一原理，可以通过检测加速度变化来计算步数。
四、硬件设计1. 硬件平台选择：Arduino Uno2.加速度计选型：ADXL3453.电源：使用锂电池供电4.显示屏：使用OLED显示屏显示步数、距离、卡路里消耗等信息5.按钮：提供用户操作界面，如重置步数、切换显示信息等五、软件设计1.初始化ADXL345：配置ADXL345为测量模式，设置测量范围、数据输出速率等参数。
2.获取加速度：通过ADXL345读取X、Y、Z三个轴上的加速度数据。
3.处理加速度数据：通过计算得到合成加速度，根据合成加速度的变化判断是否发生步行动作。
4.计步算法：使用阈值或峰值检测算法，统计步数。
5.显示数据：将步数、距离、卡路里消耗等信息显示在OLED屏幕上。
6.用户操作：通过按钮进行重置步数、切换显示信息等操作。
六、功能实现1.计步功能：通过加速度检测步行动作，实时计算步数。
2.距离测量：结合步长等因素，根据步数计算行走距离。
3.卡路里消耗：结合体重等因素，根据步数计算卡路里消耗量。
4.数据存储：将步数、距离、卡路里消耗等数据存储到EEPROM中，以允许断电后数据不丢失。
基于单片机的三轴加速度计步器设计
基于单片机的三轴加速度计步器设计张婷【摘要】介绍了基于单片机设计的计步器.利用人在行走时产生的三向加速度作为计步器触发点,采用ADXL345三轴加速度传感器实现从感应人运动时的加速度到计算出人行走的步数的转变.在传感器内部的A/D转换器,通过模数转换将采集来的加速度信号转换为数字信息并输送到STC89C52单片机上进行处理.单片机再通过运用合理的算法从而实现准确计算出人行走的步数,再通过算法得到里程、卡路里.【期刊名称】《山西电子技术》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】3页(P32-33,50)【关键词】ADXL345;三轴加速度传感器;计步器;STC89C52【作者】张婷【作者单位】山西大学商务学院,山西太原030031【正文语种】中文【中图分类】TP393现在社会，人们所追求的生活水平日渐提高，我们越来越关心我们的身体健康状态。
计步器作为一种检测步伐的电子产品，能够算出运动消耗的能量，然后人们就可针对个人的实际情况订制属于自己的运动方案来适当锻炼，并根据运动信息来分析出人体的身体状态。
针对目前市面上用户需求，计步器不仅可以检测人行走的步数和路程还可以计算出你运动所消耗的能量，便携式计步器就自然而然地诞生了。
通过研究人行走的形态发现人在行走时会产生三个方向的加速度。
利用加速度传感器捕捉人行走三个方向的加速度，正好可以模拟人跑步时候形成的垂直、前，侧向的加速度。
正是由于三个方向的加速度测量，所以做出来的计步器适合佩戴在人体任何部位。
计步器的总体结构框图如图1所示，该计步器由STC89C52芯片、液晶显示模块LCD1602和加速度传感器ADXL345构成。
工作过程如下：传感器检测到外界物理运动的三个方向的加速度，通过芯片内部的模数转换把模拟信号转化为单片机可以识别的数字信号，单片机获得数据信息再通过分析计算，把最终信息输送给显示器。
从液晶显示器上可以读出步数、总步数、路程以及运动消耗的卡路里。
基于三轴加速度计的腕式健康监测系统设计_花鹏
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２０１３ 年 第 ３ 期
７ １
２ 硬 件 电 路 设 计
２．１ 电 源 模 块
系统电源模块采 用 ＴＩ公 司 的 ＬＤＯ 线 性 稳 压 电 源 管 理芯片 ＴＬＶ７００３３ 为 整 个 系 统 供 电，其 输 出 电 压 固 定 为 ３．３Ｖ。电源模块的接口电路 如 图 ２ 所 示，其 中 Ｃ１、Ｃ２ 为 输出电压与地间的电容 ，用 来 防 止 电 路 产 生 振 荡 ，ＬＥＤ 为 电源指示灯。
ＳｙｓＣｔｌＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＥｎａｂｌｅ（ＳＹＳＣＴＬ＿ＰＥＲＩＰＨ＿ＧＰＩＯＡ）； ／／启用引脚复用功能，将 ＳＤＡ 和 ＳＣＬ 引脚设为开漏
ＧＰＩＯＰｉｎＴｙｐｅＩ２Ｃ（ＧＰＩＯ＿ＰＯＲＴＡ＿ＢＡＳＥ，ＧＰＩＯ＿ＰＩＮ＿６｜ ＧＰＩＯ＿ＰＩＮ＿７）；
／／将Ｉ２ Ｃ 总 线 信 号 分 配 到 对 应 的 引 脚
终端为高电平触发
４ ０ｘ２ｃ
ＢＷ＿ＲＡＴＥ
设置 输 出 数 据 速 率 为 ０ｘ０Ａ
１００Ｈｚ
５
０ｘ２ｅ
ＩＮＴ＿ＥＮＡＢＬＥ ０ｘ８０
使能 ＤＡＴＡＲＥＡＤＹ 中断
６ ０ｘ２ｆ
ＩＮＴ＿ＭＡＰ
将所有中断 映 射 到 ０ｘ００ ＩＮＴ１引脚
７ ０ｘ２ｄ ＰＯＷＥＲ＿ＣＴＬ ０ｘ０８ 设置为测量模式
ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ
ＩＮＴ１＿ＰＩＮ）； ／／初始化Ｉ２ Ｃ 总线主 机，定 时 器 周 期 赋 值 ，设 置 主 机 为 低 速
（１００ｋｂｐｓ） Ｉ２ＣＭａｓｔｅｒＩｎｉｔＥｘｐＣｌｋ（Ｉ２Ｃ１ ＿ＭＡＳＴＥＲ ＿ＢＡＳＥ，ＳｙｓＣｔｌ－
ＣｌｏｃｋＧｅｔ（），ｆａｌｓｅ）； ／／注 册Ｉ２ Ｃ 总 线 中 断 函 数 Ｉ２ＣＩｎｔＲｅｇｉｓｔｅｒ（Ｉ２Ｃ１＿ＭＡＳＴＥＲ＿ＢＡＳＥ，ｐ＿Ｉ２Ｃ１＿ＩＳＲ）； ／／使 能Ｉ２ Ｃ１ 中 断 ＩｎｔＥｎａｂｌｅ（ＩＮＴ＿Ｉ２Ｃ１）； ／／使 能Ｉ２ Ｃ１ 主 机 中 断 Ｉ２ＣＭａｓｔｅｒＩｎｔＥｎａｂｌｅ（Ｉ２Ｃ１＿ＭＡＳＴＥＲ＿ＢＡＳＥ）； ／／使 能Ｉ２ Ｃ１ 主 机 Ｉ２ＣＭａｓｔｅｒＥｎａｂｌｅ（Ｉ２Ｃ１＿ＭＡＳＴＥＲ＿ＢＡＳＥ）；
三维加速度counts估算不同步速能量消耗应用初探
三维加速度counts估算不同步速能量消耗应用初探管培培;丁宁炜;汤强;刘春辉【摘要】以间接热测定法为标准,探索counts与能量消耗之间的关系,建立基于三维加速度counts能耗推算方程,寻求不同强度身体运动的counts切点.实验选取115名受试者,佩戴Cortex-3B便携式气体代谢分析仪与ActiGraph GT3X三轴加速度计,分别采用4.8km/h、5.6km/h、6.4km/h、7.2km/h、8.0km/h、8.8km/h步速.结果认为:不同步速下合矢量counts性别间差异不显著；不同步速下体重组别合矢量counts差异无统计学意义；身高、去脂体重与VO2 、MET相关性较低,而性别、BMI都在0.2左右水平上显著相关；将BMI与性别引入推算方程,有效提高了counts预测能耗的准确性.【期刊名称】《山东体育科技》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】4页(P72-75)【关键词】三轴加速度计;counts;能量消耗;合矢量;校准【作者】管培培;丁宁炜;汤强;刘春辉【作者单位】南京体育学院,江苏南京210014【正文语种】中文【中图分类】G804.7双标水法(DLW)和间接热测定法是准确测定能量消耗(Energy Expenditure，EE)的“金标准”［1］，但是它们在测量人体自由条件下身体运动能耗时存在诸多挑战。
较为新颖的运动传感器法为实验室提供了更好的选择，其中三轴加速度计从物理学角度提供了对人体运动进行客观评价的新方法，也为构建新型的运动数据分析和处理装置提供了新思路［2］。
加速度计是通过压电陶瓷产生形变转化成电信号这一原理工作的。
压电陶瓷所产生的电压信号，在被过滤和放大之后，经A/D 转换。
再通过不同的运算法测和途径转变为最终的加速度计数(counts)［3］。
counts 代表加速度绝对值的积分的复位次数，1min 内积分的复位次数定为counts/min，即1min 内身体活动的频率与强度［4］。