基于单片机的计步器设计及实现

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IIDesignandrealizationofpedometer-basedmicrocontrollersAbstract：Pedometerisapopulardailyexerciseprogressmonitor,canmotivatepeopletochallengethemselves,enhancephysicalfitness,tohelploseweight.Earlydesignsusedaweightedmechanicalswitchdetectsthepace,andwithasimplecounter.Whenshakingthedevice,youcanhearametalballtoslidebackandforth,leftandright,orapendulumswingingpercussionstopper.Pedometerfunctioncancalculatethemovementofpeopletoanalyzethesituationofhumanhealth.Andthemovementofpeoplecanbeanalyzedbymanyfeatures.Withthetraditionalmechanicalsensorsdiffer,ADXL345three-axissensorisacapacitiveaccelerationsignalbyitshumanmotioncapture,andmoreaccurate.Signalthroughalowpassfilter,themicrocontrollerbuilt-inA/Dconverterforsignalsampling,A/Dconversion.Softwareusesanadaptivealgorithmpedometerfunction,reduceerrorcountismoreaccurate.STC89C51SCMcontrolLCDpedometerstate.Machineoperatingcurrentofonly1-1.5mA,ultra-lowpowerconsumption.KeyWords:pedometer;Accelerationsensor;ADXL345;lowpowerconsumption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.................................................22.3MCU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11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，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Gcn．naiHiraga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，计步器正式进入日本商用市场，并被命名为manpo-meter（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基于51单片机计步器的设计2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。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3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5mA30--工作精度0.1g0.002g--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LSM303DLHMPU-6050ADXL345工作电流0.83Ma500150精度0.0003g0.0003g0.008g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42.3MCU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(R