基于单片机的多功能计步器

目录1.引言 (1)1.1选题的目的 (1)1.2选题的意义 (2)1.3国内外研究现状 (2)2.系统基本原理及系统设计方案 (3)2.1多功能计步器的基本内容 (3)2.2传感器的选择 (3)2.3 MCU微处理器的选择 (4)2.4 系统的总体设计 (5)3.系统的硬件设计 (6)3.1微处理器电路模块 (6)3.2计步器传感器采集模块 (7)3.3 数字温度传感器模块 (9)3.4显示模块 (10)4.软件设计 (11)4.1软件主流程图 (11)4.2计步器算法的实现 (12)5.硬件及软件测试 (15)5.1实物图展示 (15)5.2功能模块测试 (16)5.3软件测试 (16)6.总结 (17)参考文献 (17)基于单片机多功能计步器的设计与实现摘要：目前，人们可以依据这种计步器来得出人体是否是一种健康的状态，它是通过研究与分析人体的运动的情况，但是人体的运动状态并不能进行简单的分析，计步器有着很多种的特性。

三轴的加速度传感器ADXL345归于电容式的三轴的传感器的一种，若它与以往的机械式的传感器比的话，它得到的人的身体的运动的时候的加速度的信号会比传统的更加的准。

当捕获到加速度的信号后，这些信号需要通过低通的滤波器来进行滤波，进而进行对信号的A／D转换、信号的采样利用单片机的内部的结构中的A／D转换器。

在设计过程中难免会出现一些误差的计数，本设计运用了一种自己适应的算法来实现计步这个功能，也可以降低误差值，更为准确。

最终，要用单片机的作用来把步数弄到液晶的显示屏的上面。

整个的设计的需要的电流仅为1-1.5mA，达到了少的功耗。

步行对于锻炼来说，是一种最简单也是最方便的方法。

若人的身体一直走上半小时左右，大约为400 0米左右/每小时，对身体有很多的好处，增强了各种的肌肉或者肺脏的功能，有助于血液的流和通，尤其是对于那些长时间不运动的上班族来说，这是很好的锻炼方式。

步行能够加强骨骼、关节、韧带，为了防止以后的疼痛和受伤。

然而如果不能够很好的规划每天的锻炼方法和运动程度，照样达不到所要效果或者说锻炼的效果很不明显。

使用计步器可以很好的保证完成每天的运动量，计步器可以让运动者清晰的看到自己每天的运动量，能科学的对自己的运动做出规划，从而达到提高步行锻炼的质量，时钟的显示可以很好的让运动者掌握锻炼的时间程度，温度显示可以让运动者了解天气，从而选择更加适宜的地点进行锻炼，也能减少在锻炼中的意外的情况的发生。

综上，运动者就可以很方便的了解自己每天的运动程度从而实现科学的运动，也有助于敦促运动者长期的坚持锻炼。

1.2选题的意义在科技与社会的日益发展下，人们生活的环境也得到了很大的提高，尤其是随着办公室中亚健康群体的数量越来越多，健康也变得越来越受人们的关注。

计步器作为一种测量的仪器，它有很大的功能，能帮助运动者清晰的了解自己的运动量。

因为它可以很好的显示出人体总共的行走的步数以及消耗的能量，所以人们也就因为这个原因来专属定制属于自己的锻炼或者运动的方案来进行自己的健康之路，最后是通过自己完成的进度来进行分析自己的身体的健康，这个方法在现在变得越来越流行。

再加上为了与现在的市场所要求的需要相对应，设计出了用手拿的那种电子的计步器，使用起来的也很简单和方便。

计步器作为一种日常锻炼进度监控器，越来越受人们的喜爱，其也被越来越多的人使用。

它可以帮助人们合理规划自己锻炼计划，增强体质。

在以往的设备中进行检测的步数的功能是利用了一个简单的计数器与加重的机械的开关。

我们可以拿着设备来晃动的操作，不难发现有挡块发出的声音是由于一个摆锤来回摇摆，或者出现滑动的声音是由于一个金属的球左右滑。

由振动的传感器和电子的计数器组成了电子的计步器。

当人体在行走的过程会发现身体的重心出现上移和下移的情况。

其中最突出的就是上上下下位移的腰的位置，因此得出了把计步器放置在腰带的位置上最适宜。

振动的传感器的意思就是出现了断或者通的动作在一个触点上是因为在一个平衡的锤子上进行上和下的振动，其中最主要的显示与记录的功能是由电子的计数器实现的，其他的由电路来实现的，如其他的耗了的热量和路程的转换和计算等。

计步器是感到了外面的颤动，通过了一种加速度的计。

一段的塑料的管子里有着一块有磁性的铁，塑料管的内部是有着线圈的，当外界的作用力使得管子运动的时候，因惯性那块有磁的铁在塑料的管子里反的运动，也相当于是线圈的切割，这样线圈中就会有电流，由于电磁的感应，这就是普遍的加速度计的原理。

当人的身体在进行运动的情况时候，就会感知到加速度信号，这类信号会上的起伏或下的起伏，就和正弦的过程的形状类似的，这样线圈中的输出的电流也似于正弦的波，通过研究这类正弦的波的频率就会得到了人体的运动的步数，再算出了动的距离，消耗了的卡路里，和速度。

伦纳德·达芬奇提了在以往的第一早的计步器，他来自意大利。

但没保留了，现存的年代最久远的计步器是来自德国，其在1667被发明。

到了88年后的1755年，第一款真正的计步器面世了，其是由日本的一个电子工程师Gcn．naiHiraga所发明。

计步器在真正中使用已经是到了近代以后了。

这样的现象表明发现的机器对人类的实用的价值比机器的制作的发明更为重要。

计步器的作用是用来计算步行时的总的步数进而研究并分析身体的健康，这些已经有了足足40多年的普遍的使用的历史在日本这个国家中。

在19 65年，manpo-meter的计步器进到了日本的市集。

计步器来记步的是用了摆摆钟的原理来进行的，我们可以拿设备进行晃的操作，不难发现有挡块发出的声音是由于一个摆锤来回摇摆，或者出现滑动的声音是由于一个金属的球左右滑。

到现在为止，机械式的计步器已经慢慢消失，电子式的逐渐占据了市场。

2. 系统基本原理及系统设计方案2.1多功能计步器的基本内容本文的内容是基于这STC89C52较低速的单片机的设计，再加上综合上三轴加速度传感器ADXL345，这样结合起来来实现计步器的计步的作用。

第二章的内容是主要的写了整个的系统的基本的原理及设计的方案，依据基本的设计的要求来进行选择传感器和微处理器，第三章是对硬件中的传感器的数据进行采集的模块、微处理器的电路的模块、数字的温度传感器的模块以及LED1602的显示的模块来进行的介绍，第四章的内容是对软件的基本的流程图以及计步器的基本的算法来进行的介绍。

继而第五章是对实物的整体进行了功能的验证和调试。

MSP430微控制器属于16位控制器的一种，它最大的优点就是低的功耗，它采用的结构是精简的指令集（RISC），工作的模式也包括了很多的低的功耗，含有比较丰富的寻址的方式，查表处理的指令的效率很高。

正是它具有多种多样的优点更加确保了使用的它在编写的源的程序的效率达到较高的水平。

方案三：采用32位的微控制器根据官方的发布文档可以查得Cortex-M0+的内核为ARMv6的架构，其总体从能很强劲。

比如Kinet is L系列的主控制器，其是来自于飞思卡尔的能效特别高的32位的微处理器，对于各种不同的使用情况来说，它具有全面多样的功率模式，并且是超低功耗模式，再加上它可以利用多种技术来进行优化功耗，能大的程度上来延长了电池的寿命。

每的微安的数据的吞吐量在高的水平在业界的里面，每当在睡眠的深度的模式下，它可以进行智能的决策紧接着处理数据在不被唤醒内核的情况下。

综合本实验的各种要求以及结合几种单片机的优点和缺点，最终系统决定采用8位单片机来做主控制器。

这在达到设计要求的同时也将系统设计成本实现了最小化。

2.4 系统的总体设计为了达到系统的设计任务的要求，在系统的硬件部分采用了加速度传感器为ADXL345，系统的时钟选择用DS1302时钟芯片来提供，温度的检测用DS18B20来实现，主控芯片采用的是STC89C52,显示器件是液晶显示器LCD1602。

在ADXL345采集到人体运动的加速度数据后，其会将数据传送给单片机，经过单片机内部自带的模数转换器进行数据的转换后，紧接着输到单片机的内部，最后将数据进行处理后输出到液晶显示上。

大致过程如图1所示。

DS1302时钟芯片DS18B20数字温度传感器图 1 总体方框图3. 系统的硬件设计3.1微处理器电路模块STC89C52单片机是由国内的宏晶公司推出。

芯片具有高性能的特性，是性价比非常之高的单片机。

它的只读程序存储器是8K字节，特点是可以无限次数的擦写，他的数据存储器有512字节。

该单片机采用了宏晶公司比较前沿的技术，标准的51指令也能在其上面正常运行。

单片机的内部是集成了一个8位的处理器，还有一些存储单元。

这款单片机的性能很强，即使在一些比较复杂的系统中它也能胜任相应的控制工作。

系统中的最小的电路图如图2所示。

图 2 最小单片机系统电路图STC89C52单片机有着多达40个与外界相连接的引脚接口、4组输入输出端口（每一组8个，共32个）、可设置5个不同优先级别的中断、可以编程控制的16位定时计数器有2个、集成的内部阻容振荡器、支持全静态操作、内部和外部的中断源总计达八个。

STC89C52单片机的实体图如图3所示。

STC89C52的主要参数：1.512字节的数据的存储空间；2.8K字节的程序的存储空间；3.可直接使用串口下载；4.内带了2K的字节的EEPROM的存储的空间；5.具有三级加密位；6.空闲方式可停止CPU工作；7.支持两种可选的节电模式；图 3 STC89C52单片机12测量范围控制三轴的加速度的传感器ADXL345的内部的功能的结构的框图的展示如图4所示，在传感器的里面的结构中，由X、Y、Z三个坐标轴方向的实时的加速度信息都能被采集到，被采集到的加速度数据会经过内部集成的放大器来进行放大，然后经过容压变换器将加速度转换成可以测量的电信号，并经过滤波输出。

XX-温度补偿振荡器时钟发生器G-Cell传感器Y-温度补偿增益滤波容压变换器Y休眠模式控制Z控制逻辑EEPROM 调整电路Z-温度补偿V图 4 ADXL345内部结构功能框图由多晶硅这种半导体的材料通过一系列的半导体技术进行加工得到的是名为G-Cell传感器，这种传感器的结构能够简单的描述为是三块电容板，其结构示意图如图5所示。

在传感器中，由于位于中间的电容板是可以活动的，所以在人体运动的时候，中间的极板位置变化由此而产生了电容的变化。

这个变化的值后来是要在出现在电压的出来的数的上面，所以需要经过容压的改变、增益的放大，滤波等步骤，进而实现了对加速度的测量。

如图所示箭头的方向表示加速度的方向。

图 5 G-Cell传感器的物理的模型图 6 引脚功能图ADXL345是一种较高分辨率的三轴的加速度的传感器，它具有13位的分辨率，而且它的测量的范围最高能够+16g，最低至-16g，它又微小又轻薄，并且具有功耗超低的优势。