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2017届电子信息工程专业本科毕业论文第1页共31页健康计步器的设计摘要：改革开放三十年来，随着社会的不断进步，人们的生活水平也不断的提高了，许多人把健身当做每天的一门必修的功课，在诸多的健身方法中，跑步便成了他们最有效，最简单的运动方法。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，也成了计量跑步时间、步数和里程的最简易、有效的工具。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，MMA7455是微机械式三轴传感器，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MMA7455加速度传感器低功耗Abstract:Thirtyyearsofreformandopeningup,withtheconstantprogressofthesociety,people’slivingstandardhasbeenimproved,manypeopleconsiderfitnessaseveryoneofthecompulsorycourses,inmanyfitnessmethod,runningastheirmosteffective,themostsimplemethod,pedometerisapopulardailyexerciseprogressmonitor,canmotivatepeopletochallengethemselves,enhancephysicalfitness,tohelploseweight.pedometeralsobecametherunningtime,measurementstepnumberandcaloriesburnedthemostsimple,effectivetool.Pedometerfunctioncancalculatethemovementofpeopletoanalyzethesituationofhumanhealth.Andthemovementofpeoplecanbeanalyzedbymanyfeatures.Withthetraditionalmechanicalsensorsdiffer,MMA7455three-axissensorisacapacitiveaccelerationsignalbyitshumanmotioncapture,and第2页共31页moreaccurate.Signalthroughalowpassfilter,themicrocontrollerbuilt-inA/Dconverterforsignalsampling,A/Dconversion.Softwareusesanadaptivealgorithmpedometerfunction,reduceerrorcountismoreaccurate.STC89C52SCMcontrolLCDpedometerstate.Machineoperatingcurrentofonly1-1.5mA,ultra-lowpowerconsumption.Keywords:pedometer,MMA7455,Accelerationsensor,lowpowerconsumption第3页共31页1绪论1.1引言随着社会的发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们越来越注重自己的健康，跑步成为了一种方便而又有效的锻炼方式。但是如何知道自己的运动情况？计步器可以帮助人们实时掌握锻炼情况。它的主要功能是检测步数，通过步数和步幅可计算行走的路程。通过运动步数，得以计算人体消耗的热量，所以人们可以定量的制定运动方案来健身，并根据运行情况分析人体的健康状况，因而越来越流行。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。计步器的原理是利用行走时身体的肢体摆动从而影响振动传感器，然后单片机处理振荡信息并进行后续处理。振荡传感器的内部有一个可随意移动的小球，利用物体移动时产生的物理惯性，导致小球在物体内运动，然后利用感应器检测小球的运动，从而确定被检测物的运动状况。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。以腰部的上下移动最为明显，所以计步器挂在腰带上最为合适。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，其他的列如热量消耗，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，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，再计算出的速度，距离，和消耗卡路里。1.2研究意义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，是德国于1667年制作的。在中世纪和近代，计步器并第4页共31页未被广泛使用，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。这使得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研究的内容本文是一个基于STC89C52低速单片机，结合MMA7455倾角传感器来实现计步功能。根据设计的要求选择了基于三轴加速度MMA7455功能计步器设计方案，对硬件中微处理器电路模块、传感器数据采集模块以及LCD1602显示模块进行介绍，并对软件流程图以及计步检测算法进行介绍，最终完成对实物的调试和功能验证。2方案设计及选择2.1设计要求（1）使用单片机技术处理数据。（2）能够有效的检测人体步行动作。（3）能够显示并且记录单位时间内的步数。（4）超过设定值报警。（5）可以通过按键设置每步的距离、总步数和总里程的预警值。2.2MCU微处理器的选择方案一：采用8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，它的内核简易，应用广泛，资料齐全，非常适合入门学习。同时价格低廉，是一款适用于追求低成本不求实时性的电子产品。很长一段时间内，8051微控制器在我国占据了小型家电市场，其中原因是超低成本。方案二：采用16位微控制器第5页共31页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位微控制器现如今32位微控制器拥有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，包括时钟和电源门控技术，以及带有位处理引擎、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。2.3传感器的选择方案一：选择机械式振动传感器机械式振动传感器内部有一个平衡锤，当传感器振动时，平衡被破坏，因此会造成触点的上下断通。佩戴者在跑步过程中，身体起伏重心高低发生变化，计算机内部的振动传感器就会将这一变化转换为数字量送至控制单元，从而获得佩戴者的运动信息。机械式振动传感器原理简单、精度和成本低，适用于振幅较大的场合。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。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。方案三：选择压力传感器压力传感器是将压力的变化转化为电压的变化。利用这一特性，可将压力传感器内置在鞋的底部，当用户在行进过程中，压力传感器受到的压力不同第6页共31页（抬脚时脚对鞋无压力，放脚时脚对鞋有持续压力），这样，计步器的主控单元读取压力值，经过计步算法即可判断运动状态。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。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MMA7455作为计步传感器。2.4系统的总体设计如图2-1所示，该计步器是由STC89C52单片机、MMA7455加速度传感器以及LED1602显示屏等组成。传感器采集数据，经内部A/D传唤后，输入单片机内部，将数据处理后输入液晶显示。图2-1总体方框图3系统的硬件设计3.1微处理器电路模块STC89C52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。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很MMA7455传感器采集器微处理器STC89C52单片机LCD1602数据显示第7页共31页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STC89C52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4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7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STC89X52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。STC89C52RC单片机内有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，可直接使用串口下载，如图3-1所示：图3-1单片机最小系统电路图第8页共31页3.2计步器传感器采集模块MMA7455的内部功能结构如图3-1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3-1MMA7455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3-2所示，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。图3-2G-Cell传感器的物理模型第9页共31页MMA7455的三个相互正交的测量方向，固