基于单片机的计步器设计及实现.doc

1、基于 51 单片机计步器的设计I基于单片机的计步器设计及实现摘要: 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。与传统的机械式传感器不同，ADXL345是电容式三轴传感器，由它捕获人体运动时加速度信号，更加准确。信号通过低通滤波器滤波，由单片机内置 AD 转换器对信号进行采样、AD 转换。软件采用自适应算法实现计步功能，减少

2、误计数，更加精确。单片机 STC89C51 控制液晶显示计步状态。整机工作电流只有 1-1.5mA，实现超低功耗。关键字：计步器;加速度传感器;ADXL345;低功耗基于 51 单片机计步器的设计IIDesign and realization of pedometer-based microcontrollersAbstract：Pedometer is a popular daily exercise progress monitor, can motivate people to challenge themselves, enhance physical fitness, to hel

3、p lose weight. Early designs used a weighted mechanical switch detects the pace, and with a simple counter. When shaking the device, you can hear a metal ball to slide back and forth, left and right, or a pendulum swinging percussion stopper.Pedometer function can calculate the movement of people to

4、 analyze the situation of human health. And the movement of people can be analyzed by many features. With the traditional mechanical sensors differ, ADXL345 three-axis sensor is a capacitive acceleration signal by its human motion capture, and more accurate. Signal through a low pass filter, the mic

5、rocontroller built-in A / D converter for signal sampling, A / D conversion. Software uses an adaptive algorithm pedometer function, reduce error count is more accurate. STC89C51 SCM control LCD pedometer state. Machine operating current of only 1-1.5mA, ultra-low power consumption.Key Words: pedome

6、ter; Acceleration sensor; ADXL345; low power consumption基于 51 单片机计步器的设计III目 录1 绪论 .11.1 论文研究的背景、目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 本文研究的内容 .22 方案设计及选择 .22.1 设计要求 .22.2 传感器的选择 .22.3 MCU 微处理器的选择 .42.4 系统的总体设计 .43 系统的硬件设计 .53.1 微处理器电路模块 .53.2 计步器传感器采集模块 .63.3 显示模块 .94 软件设计 .114.1 软件流程图 .114.2 计步器算法的实现 .115 测试及分

7、析 .165.1 系统调试及功能 .165.2 系统的测试 .166 总 结 .18参考文献 .19附录 1 .20附录 2 .20总结 .36基于 51 单片机计步器的设计01 绪论1.1 论文研究的背景、目的及意义随着社会的发展，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。计步器作为一种测量仪器，可以计算行走的步数和消耗的能量，所以人们可以定量的制定运动方案来健身，并根据运行情况来分析人体的健康状况，因而越发流行。手持式的电子计步器是适应市场需求的设计，使用起来简单方便。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

8、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。电子计步器主要组成部分是振动传感器和电子计数器。步行的时候人的重心会上下移动。以腰部的上下位移最为明显，所以记步器挂在腰带上最为适宜。所谓的振动传感器其实就是一个平衡锤在上下振动时平衡被破坏使一个触点能出现通/ 断动作，由电子计数器完成了主要的记录与显示功能，其他的属于热量消耗，路程换算均由电路完成。计步器中一般采用一种加速度计来感受外界的震动。常用的加速度计原理如下：在一段塑料管中密封着一小块磁铁，管外缠绕着线圈，当塑料管运动时，磁铁由于惯性在管中反向运动，切割线圈，由于电磁感应，

9、线圈中产生电流，人体运动时，上下起伏的加速度近似为正弦过程，线圈的输出电流也是正弦波，测量正弦波的频率就可以得出运动的步数，再计算的出速度，距离，和消耗卡路里。1.2 国内外研究现状计步器最早是由意大利的伦纳德达芬奇酝酿的，但现存的最早的计步器是在达芬奇之后 150 年，即德国 1667 年制作的。 日本最早的计步器是由GcnnaiHiraga 在 1755 年制作的。在中世纪和近代，计步器并未被广泛使用，因为人们并不清楚它的用途。这说明机器的发明(硬件)不及找到它对人类的用途(软件)重要。 在日本，计步器已经使用了 40 多年，主要用于体育运动和分析记录行走步调。1965 年，计步器正式进入

10、日本商用市场，并被命名为 manpo-基于 51 单片机计步器的设计1meter（manpo 的日语含义是 10000 步）。这是的计步器通常利用摆钟原理作为记步技术，利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。如果晃动这些装置，就可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆钟左右摆动敲响当块。 这种机械式的计步器早已淡出历史，取而代之的是电子式的计步器。1.3 本文研究的内容 本文是一个基于 STC89C51 低速单片机，结合 ADXL345 倾角传感器来实现计步功能。第二章根据设计的要求选择了基于三轴加速度 ADXL345 功能计步器设计方案，第三章对硬件中微处理器电路模块、传感器数据

11、采集模块以及LED1602 显示模块进行介绍，第四章中对软件流程图以及记步检测算法进行介绍。紧接着第五章对实物进行了调试和功能验证。2 方案设计及选择 2.1 设计要求(1)能够有效的检测人体步行动作。(2)能够显示并且记录单位时间内的步数。(3)使用单片机技术处理数据。2.2 传感器的选择 方案一：是选择机械式振动传感器方案二：选择加速度传感器三轴加速度传感器分为压阻式，压电式和电容式。加速度的变化能够改变电阻、电压或者电容的变化，从而获得空间位置三个垂直方向的加速度分量。佩戴者在跑步过程中，身体上下起伏，计步器内部的微控制器读取三轴加速度传感器的三组模拟量，通过计步算法分析，获取运动信息。

12、三轴加速度传感器具有精度高、反应速度快、通讯协议简单可靠等特点，广泛使用于汽车、数码产品、航天设备等领域。基于 51 单片机计步器的设计2方案三：选择压力传感器为选择一款最适合本课题的计步传感器将三种传感器对比如图：表 1 类型 机械式振动传感器 加速度传感器 压力传感器工作电流 5mA 30 -工作精度 0.1g 0.002g -目前内置于鞋底的压力传感器属于柔性传感器。在 2008 年北京奥运会上曾将它用于检测运动员的蹬地力、蹬地时间、足底接触形状、运动速度、离心力等信息，以便指导运动员取得更好的成绩。这种传感器价格昂贵，设计难度较大，不适合本设计。机械设振动传感器应用于早期的计步器，测量

13、精度低，误判、漏判严重，不符合本课题高精度的设计原则。随着加速度传感器的工艺逐渐成熟，测量精度也逐渐提高，功耗已达到微安级别，随着市场的大量使用，价格也降了下来，非常符合本课题的设计理念。表 2 列出了不同型号的三轴加速度传感器的特性。表 2 加速度传感器特性对比表加速度计代表型号 LSM303DLH MPU-6050 ADXL345工作电流 0.83Ma 500 150精度 0.0003g 0.0003g 0.008g结合价格、功耗和精度等多方面考虑，本课题选择的三轴加速度传感器 ADXL345 作为计步传感器。基于 51 单片机计步器的设计32.3 MCU 微处理器的选择 方案一：采用 8

14、 位微控制器8 位微控制器的典型代表是 8051 微控制器。8051 微控制器是一款入门级微控制器，它内核简易，应用广泛，资料齐全，非常适合入门学习。同时它的价格低廉，是一款适用于追求低成本，不追求实时性的电子产品。在我国很长一段时间内，8051 微控制器占据了小型家电市场，其中的原因正是超低的成本.方案二：采用 16 位微控制器MSP430 微控制器是一款以低功耗闻名的 16 位微控制器，有许多低功耗的工作模式，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式，高效率的查表处理指令。这些特点都保证了用它可以编写出高效率的源程序。方案三：采用 32 位微控制器Cortex-M0+内核基于

15、ARMv6 架构，支持 Thumb/Thumb-2 子集 ISA，单核心，采用低成本的 90nmLP 工艺制造，核心面积仅 0.04mm2，每 MHz 单位频率消耗的电流、功耗分别有 9A、11W，是现今其它 8/16 位微控制器的大约三分之一，而性能上又比它们高出很多。飞思卡尔的 Kinetis L 系列微控制器基于 ARM Cortex-M0+内核，是目前市场上能效极高的 32 位微控制器，每微安数据吞吐量居业内领先水平；超低功耗模式多种灵活的功率模式，适合不同的应用情形，可最大限度延长电池寿命；多种技术优化功耗，包括 90nm 薄膜存储(TFS)技术、时钟和电源门控技术，以及带有位处理引

16、擎、外围交叉桥和零等待闪存控制器的高效平台等；深度睡眠模式下，可在不唤醒内核的情况下进行智能决策并处理数据。 综合上述几种单片机优缺点并且根据实验要求,就地取材选择了由 STC 公司生产的一种价格便宜、低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。2.4 系统的总体设计该计步器是有 ADXL345 加速度传感器、STC89C51 单片机以及 LED1602基于 51 单片机计步器的设计4显示屏等组成。传感器采集数据，经内部 A/D 转换后，输入单片机内部，将数据处理后输出液晶显示。 VISIO 图 1 总体方框图3 系统的硬件设计3.1 微处理器电路模块

17、STC89C51 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C51 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C51 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7

18、向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X51 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T可选。STC89C51RC 单片机参数8K 字节程序存储空间；512 字节数据存储空间；内带 2K 字节 EEPROM 存储空间；ADXL345传感器采集器微处理器STC89C51 单片机LCD1602数据显示基

19、于 51 单片机计步器的设计5可直接使用串口下载；基于 51 单片机计步器的设计63.2 计步器传感器采集模块ADXL345 的内部功能结构如图 2 所示，X、Y、Z 三个相互正交的的方向上的加速度由 G-Cell 传感器感知，经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。图 2 ADXL345 内部结构功能框图所谓的 G-Cell 传感器是由半导体材料(多晶硅)经半导体工艺加工得到，其结构可简化为三块电容极板，如图 3。两端的极板圈定，中间的极板在加速度的作用下，偏离无加速度的位置，这样它到两端极板的距离发生变化，造成电容值的变化这个变化值经容压变换、增益放大，滤波等后体现在最后的电压输出值上，从而完成对加速度的测量。