1、 毕业设计 （论文） 第 1 页 共 40 页 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 A D 转换器对信号进行采样、 A D 转换。 软件采用自适应算法实现计步功能，减
2、少误计数，更加精确。单片机 STC89C52 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 单片机 低功耗 1 绪论 1.1 论文研究的背景、目的及意义 在这个快速发展的时代中，随着消费水平的增加，除了物质方面的追求，人们也更加关注自己的身体健康 ,希望自己拥有一个健康的体魄。这时，计步器的出现就是为了解决人们困扰许久的问题。计步器最初是由伦纳德 *达芬奇构想的，计步器的作用，顾名思义 计步，通过人们不停地行走，计步器也就不停地记录。在此 基础上，可以给计步器再添加更丰富的功能，比如通过计数来估算消耗多少了脂肪，还可以在移动设备上创建 APP，相熟的使
3、用者之间还能实时更新，进行排名，更刺激人们想要获胜的胜负欲而坚持运动，百利而无一害。 最早的计步器原理很简单，远不如现在使用的计步器复杂，通过重力感应传感器（机械摆锤），通过摆锤的撞击，激发触发开关，通过开关量的变化有单片机记录数值，最后通过 LCD 显示。电子计步器就是由一个传感器和计数器构成。因为在运动时，人的身体的手臂、腰部、膝盖处等都会有相应的剧烈反应，例如运动时，手臂会有相应摇摆的动作，膝盖 也会有向前向后的反映，但在这些反映中，腰部的运动是最明显的，所以建议安装计步器时，安装在腰部最为合适。本设计的计步器想利用加速度计的原理来计步，其根本原理就是通过加速度传感毕业设计 （论文） 第
4、 2 页 共 40 页 器，通过加速度传感器中的霍尔传感器，由电磁感应原理获得加速度信息，并通过单片机判断，最终记录并显示出来。 1.2 设计研究内容 通过一系列的查询，找资料，咨询。最后进行比较，本设计决定使用低功耗、高精度、体积也较小的三轴加速度传感器 ADXL345 作为本设计的传感器，STC89C52 单片机作为微控制器，及 LCD1602 液晶显示屏作为输出数 据的显示屏。当然，在有能力的情况下，可以试做实物并编写符合要求的程序，进行最终调试。 体选择方案见第二章。 2 方案设计及选择 2.1 设计要求 （ 1）保证计步器的有效性 （ 2）能有效检测人体行走运动 （ 3）可以显示和记
5、录单位时间内的步数 （ 4）使用 MCU 处理数据 2.2 传感器的选择 方案一：选择压力传感器 压力传感器就是利用压电效应为原理的。可以将传感器放在鞋的底部，但一般放置鞋底的都是柔性的，通过抬脚 放脚的动作，电压的有无来判断运动是否发生。再将采集到的电信号输送给单片机。但性价比不高，设计困难，不建 议采用到本设计中。 方案二：水银开关（倾侧开关）传感器 人体运动会导致倾斜，水银水珠会因为重力原因偏向一侧，高灵敏的震动传感器运用水银开关来检测周围的震动强度。 所以当人运动就会震动，然后传感器就会被震动，又因为采用水银开关且对检测外界震动很灵敏，所以当超过震动的临界值时，就输出低电平，反之没超过
6、就输出高电平，然后用单片机来检测。此毕业设计 （论文） 第 3 页 共 40 页 传感器通过检测水银开关的通断与否，来判断加速度的方向并且由于直接该开关量输出方便，机械性能简单等等优点，普遍用于要求不高的场合，但由于其检测方向单一，可选检测方位较小，局 限性较大，故现代计步器并不采用。 方案三：选择三轴加速度传感器 三轴加速度传感器相对于其他传感器，体积更小，反应更快，十分符合设计要 求。 其采用电子原理设计，整体封装较小，适合体积要求较为严格的场所。其检测方向多样，可选方位较多，无单一局限性。顾名思义，加速度不是一个标量，它有具体的方向，也就证明了，在分析物体运动时，要测得空间三个方向才能确
7、定具体数据。 很适合放置于本设计的计步器中。 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表 1 类型 压力传感器 水银开关传感器 三轴加速度传感器 工作电流 - 80mA 1.5mA 工作精度 精度高 精度低 精度高 价格（元） 45 元 0.5 元 10.5 元 随着加速度传感器不断的发展和改进，它拥有更多的性能，满足更多的使用需求。所以现在的三轴传感器性价比高，精度也高，功耗也越少，很符合该课题的设计理念。故选择加速速度传感器。 三轴加速度传感器中选择 方案一： BMA250 传感器 Bosch Sensortec 的 BMA250 是一款先进的数字输出的低功耗（ 139uA）超
8、小，数字式三轴加速度传感。它是 2mmX2mm 的小型封装和数字接口，支持两种操作模式：流数据模式和中断发动机模式，特别能使用在手机、计算机外设、电子罗盘、人机界面、虚拟现实的特性和游戏控制器。还具有从 2g 16g 四个可编程的测量范围，具有较高的精度，其十位的数据可提供最高精度 4mg。 方案二： MMA8452Q 传感器 有一款 12bit 分辨率，功耗较低，还是电容式微机械的数字式三轴加速度传感器 MMA8452Q 传感器。 MMA8452Q 具有低功耗，高分辨 率，通过 LINUX 的嵌入式开发可以自由分配服务选项，可以配置两个中断引脚。 它不仅仅能让用户自毕业设计 （论文） 第 4
9、 页 共 40 页 己选择 2g/ 4g/ 8g 的量程，还有丰富的嵌入式功能 1。它输出数据有高通滤波数据和非滤波数据。它的低功耗特点表现在当处于静止状态时能自动调节到低功耗模式，并一直持续到新模式的运行。主要用于日常电子设备检测冲击和振动等场合中 。 方案三： ADXL345 传感器 ADXL345 三轴加速度传感器是美国 ADI 公司在 08 年推出的具有 MEMS 技术的三轴传感器，还具有 SPI 和 IC数字输出的特点。具有可变量程、高分辨率、功耗超低 ，小巧而纤薄的优点。它提供一些特殊的运动侦查功能，可探测出是否处于状态，在移动设备中得到广泛的运用，很符合本设计的要求。此外还集成了
10、一个 32 级 FIFO 缓冲器，主要可用来储存数据，从而就能使主处理器的负担降到最小。 为选择一款最适合本课题的加速度传感器对比如表 2 加速度计代表型号 BMA250 MMA8452Q ADXL345 超低功耗 典型值 139 A 6uA165uA Vs = 2.5V 低至 23uA 封装 2mmX2mm 小型封装 14.5mmX20.5mm 3mm 5mm 1mm， LGA 封装 价格（元） 3.5 元 22元 5 元 结合上述表格的内容和性价比的考虑，和许多其他方面的考虑，故本课题选择三轴加速度计 ADXL345 传感器。 2.3 计步器微控制器的选择 单片机是由 I/O口、 RAM、
11、 ROM、定时器集成在一起的芯片 。 方案一：采用 32 位微控制器 采用 STM32 单片机作为主控器。 STM32 单片机有如下特点： （ 1）拥有 ARM 最新的 Cortex-M3内核，只需 6个的 clk 的调整时间。 （ 2）只需 7个滤波电容就能构成最小系 统。 毕业设计 （论文） 第 5 页 共 40 页 （ 3） RAM 可以通过位绑定技术按位来访问。 （ 4）装备了可编程的掉电监测器。 （ 5）有带电池供电的数据备份寄存器。 （ 6） 2 个 12 位的 AD拥有高达 1M 的采样速率。 （ 7） GPIO 的刷新速率可以自行设定。 （ 8）可检测 PWM 脉宽和频率（硬件
12、直接支持）。 （ 9）集成霍尔接口和电机控制。 （ 10） SPI 带硬件的 CRC 校验能达到 18Mb/s 的通讯速度。 方案二：采用 16 位微控制器 HCS12 微控制器 ,以其处理快、耗能小、功能强、价格低等特点在工业上大量使用。 Freescale 在设计的时候引入了新的 片上调试技术 -BDM，为了寻址更大的空间，设计了页寄存器，包括 RPAGE/PPAGE/GPAGE/EPAGE 等等，在整个程序执行上时序会稍慢一点。不过 HCS12 在汽车电子领域应用比较广泛。 方案三：采用 8 位微控制器 STC 公司推出了一款低功耗且高性能的 COMS 8 位微控制器。 STC89C52
13、 单片机不仅拥有 8051 单片机的功能，还在此基础上开发了 51 单片机没有的功能 带有 8k 字节系统可编程 Flash 存储器。操作容易，初学者很容易上手，适用于简单的嵌入式控制系统中。 综合上述几种 MCU 优点和缺点并且根据本 设计要求的考虑，慎重地选择 8位微控制器 STC89C52 单片机作为本设计的单片机。 2.4 计步器显示器的选择 方案一： CRT（阴极射线管）显示器 CRT 显示器的组成部分是由电子枪第一控制栅极，第二控制栅极，垂直偏转板，水平偏转板，磷光显示屏等组成。它的工作原理是：通过电子枪发射正电子，经过第一控制栅极，第二控制栅极，经过垂直偏转板和水平偏转板，改变电
14、子的运动方向，轰击屏幕，多次扫描后，将会在显示屏上显示图案。 CRT 显示屏成本高，而且画质不清晰。 当场频过低时，人烟会感觉屏幕有明显的闪烁，图像稳定性差，容易 造成眼睛疲劳。 毕业设计 （论文） 第 6 页 共 40 页 方案二： LCD（液晶）显示器 LCD 是通过电光效应来对外界光线进行调制。它的制作是在两个极化的材料上加上水晶溶液。水晶重新组成是在有电流时，目的让他们穿透不了。现在市场的 LCD 液晶屏种类很多，我们按照自己的设计方案进行选择。 综合上述两种显示器的讨论，发现 CRT 显示器成本较高、会有一定的辐射、长时间使用会造成眼睛的疲劳等缺点，最终决定选取 LCD 显示器作为本
15、设计的显示器。 2.5 系统的总体设计 现在本设计的硬件设施都通过比较决策出来了，分别是 ADXL345 三轴加速度传感器作为传感器采集器、 STC89C52 微控制器作为设计的主控单片机、LCD1602 作为输出步数的显示器。详细的系统方案如图一显示。 图 2.1 系统整体方框图 加速度 传感器 ADXL345传感器采集器 微 处 理 器 STC89C52MCU 液晶显示屏 LCD1602 数据显示 毕业设计 （论文） 第 7 页 共 40 页 3 计步器系统的硬件设计 图 3.1 总体电路图（详细见附录一） 3.1 计步器最小系统模块 STC 公司推出了一款低功耗且高性能的 COMS 8
16、位微控制器。 STC89C52 单片机不仅拥有 8051 单片机的功能，还在此基 础上开发了 51 单片机没有的功能 带有 8k 字节系统可编程 Flash 存储器等。它拥有全双工串行口操作简单，容易理解，适用于简单、低功耗的嵌入式控制系统中。 本设计是以 STC89C52 微处理器为主，外接一个手动复位电路和一个 12M 的晶振，接上 VCC 和地组成一个最小系统模块。如图 3 所示 毕业设计 （论文） 第 8 页 共 40 页 图 3.2 最小系统模块 3.2 计步器传感器采集模块 毕业设计 （论文） 第 9 页 共 40 页 三轴传感器 ADXL345 其内部结构如图 4 所显示 :加速
17、度变化都是由 G-Cell传 感器感知，再通过内部处理后再以电压信号输出。（ 经过容压变换、放大增益后的变化值再经过滤波器的滤波等 ） 图 3.3 ADXL345 传感器的内部功能框图 ADXL345三轴传感器内部的 G-C理想物理的结构可以看成是由三块电容极板组成，如图 5所示。当有加速度变化的产生，内置的传感器就能检测到，并通过极板与极板之间的距离变化影响电容值的变化。 图 3.4 内置传感器物理模型 加速度 ADXL345 传感器的功能框图如图 6，当它安装到腰部上后，这三个 方向上的数据也就随之确定下了。 毕业设计 （论文） 第 10 页 共 40 页 图 3.5 ADXL345 的功能框图 ADXL345 三轴传感器的引脚配置 (顶视图 )： 图 3.6 ADXL345 三轴传感器的引脚功能图 如图 3.7，显示的是 ADXL345 三轴加速度传感器底座，各个管脚的名称如图：
