基于单片机的计步器设计及实现.doc
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1、基于单片机的计步器设计及实现(完整资料)(可以直接使用,可编辑 优秀版资料,欢迎下载)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,AXL345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/D转换器对信号进行采样、
2、AD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1.5mA,实现超低功耗。关键字:计步器;加速度传感器;DL35;低功耗esign and relzatin of pdometerbased microcnrllsAtra:edometeis apoplr dail rcise roes monitor, cn moivate ope o halene thmsls, hace pysical tns, o ep lose weight. Early sign use awighte hcalswitc ees the
3、pac, anwih a mp coter When shkig th devi, you can hea a metabalo slide bak and forh, left ndight, or apelu winging perussiostoper。Pedomer ncion cn cutethe oventof po t anlyze he siaton human alth A the momen people an be naled bymaeauresWith thtraditonalechancal snor diffr, DXL345 teeais snsor is ca
4、citiv acceeraion nal its humn moton captue, andmracc. ignl tough a low ass fter, the micocroler builtinA D coveter fr sgal samplig, A nverson。Sotwre ss n aaptvealgrhm pedometr funct, redueerrorunt is mreaccrate S8C51 SCMontol LC emte tt. Machne operatng curre only 11.5m, ultralowpowr consumptin.y Wo
5、rds: pedometer; Acelration senor; D345; low pr umtion目 录1绪论1。1论文研究的背景、目的及意义1。国内外研究现状11.3本文研究的内容2方案设计及选择.1设计要求2。2传感器的选择22。3MU微处理器的选择2。4系统的总体设计3系统的硬件设计.微处理器电路模块5。计步器传感器采集模块63.3显示模块94软件设计14.1软件流程图114计步器算法的实现15测试及分析65。1系统调试及功能65.2系统的测试66总 结18参考文献1附录120附录22总结361绪论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
6、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
7、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
8、667年制作的。 日本最早的计步器是由Gcn。aHira在15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anpomeer(mao的日语含义是1000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
9、器。.本文研究的内容本文是一个基于STC89C5低速单片机,结合ADXL4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DL45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LE02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。方案设计及选择21设计要求(1)能够有效的检测人体步行动作。()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
10、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5mA0-工作精度。1g00-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
11、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LSM303DLHMP600AX345工作电流0.83M10精度0。00g0。0003g0.08g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ADX345作为计步传感器。2. MCU微处理器
12、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。85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MP4微控制器是一款以低功耗闻名的6位微控制器,有许多低功耗的工作模式,采用了精简指令集(ISC)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rtxM+内核基于RMv架构,支持Thumb/Th
13、um2子集ISA,单核心,采用低成本的0nLP工艺制造,核心面积仅00m2,每Hz单位频率消耗的电流、功耗分别有9、11,是现今其它816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KintisL系列微控制器基于M rx-M+内核,是目前市场上能效极高的2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(TF)技术、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
14、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8在系统可编程Flah存储器。2.4系统的总体设计该计步器是有XL3加速度传感器、STC91单片机以及LED160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。SI LCD1602数据显示微处理器STC89C51单片机 ADXL345传感器采集器 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STC8C5是SC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Flah存储器。T8C51使用经典的CS-内
15、核,但做了很多的改进使得芯片具有传统单片机不具备的功能。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CU和在系统可编程Flash,使得STCC51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,51字节RA, 32 位I/口线,看门狗定时器,内置4B EEP,MX1复位电路,个6 位定时器/计数器,个外部中断,一个向量4级中断结构(兼容传统5的5向量2级中断结构),全双工串行口。另外STC9X51 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,CP 停止工作,允许RA、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,A内容被保存,振荡器被冻
16、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,T1T可选.TC9C51RC单片机参数8K字节程序存储空间;12字节数据存储空间;内带2K字节EEROM存储空间;可直接使用串口下载;3.2计步器传感器采集模块ADXL5的内部功能结构如图2所示,X、Z三个相互正交的的方向上的加速度由 GCel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2DXL35内部结构功能框图所谓的GCll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。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
17、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 GCell传感器的物理模型DL345的三个相互正交的测量方向如图4,固定在人体上后,这三个方向上的数据意义也就随之确定了。 图4 ADXL34的三测量轴向引脚配置(顶视图): 图5引脚功能图ADL34是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计,分辨率高(位),测量范围达16g。数字输出数据为16位二进制补码格式,可通过PI(3线或线)或IC数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用.它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度,还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其
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