计步器设计Word文档格式.docx
《计步器设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计步器设计Word文档格式.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
KEYWORDS：
circuit；
sensorpedometer；
STC89C52
1、引言
在这现代化的社会，我们所追求生活水平日渐提高，我们越来越关心我们的身体健康状态。
计步器作为一种检测步伐的电子产品，能够算出运动消耗的能量，然后人们就可针对个人的实际情况来订制属于自己的运动方案来适当锻炼，并根据运动信息来分析出人体的身体状态。
再针对目前市面上用户需求，便携式（手戴式）计步器就自然而然的诞生了。
对于生活中人们常用的计步器内部结构，基本可以概括为两个部分，一是计数器，其主要的作用就是用来实时计算步数，二是振动传感器，其主要的作用就是采集外部的振动信号，再通过A/D转换将信号传递给微处理器。
由于人们在运动时其重心会上下移动，计步器中的振动传感器会先接受信号，因为其内部有一个平衡锤，人在运动时，这个平衡锤就会上下摆动，在摆动时就会打破平衡状态，触发一个触点使其通/断，然后计数器进行记录信息，而热量消耗以及行走路程则是由单片机计算得到的。
计步器通常都采用加速度传感器来检测人运动时三个方向的加速度信息。
常用的加速度传感器内部结构为：
在一段塑料管中封着一块磁铁，管子的外壁绕着线圈，在塑料管抖动的时候，磁块会在惯性的作用下在塑料管中滑动，从而切割了线圈，从而产生了电流。
在人因运动抖动塑料管时，其上下振动的加速度信号变化和正弦信号非常类似，线圈产生的电流同样和正弦信号类似，依照这个思路，我们可以直接测量这种类似正弦信号的频率就可以换算出步伐数，从而再换算出速度，路程和消耗卡路里等。
[1]
伴随着科技的进步，市面出现了许许多多的手持电子设备，例如手机、平板和智能手表等，它们都增加了一项身体健康监测功能。
其原理就是在这些电子设备中，无一例外都一个计数器，这个计数器可以用来对携带的人每天行走的步数进行实时的计数，还可以通过其内部的微处理器计算出所走步数所消耗的能量大小，实现对携带人的身体健康检测功能。
如今生活中的计步器种类繁多，各式各样，但可以根据其原理将其大致上分为两大类：
1）电子式；
2）机械式。
其中较为准确的是电子式。
机械式的计步器内部通常都有一个弹簧片或者弹力球，人在运动时随着重心的上下变化，就会使其产生振动触发信号脉冲，再将这些信号传递到微处理器中，微处理器通过处理脉冲信号来实现实时的计步功能。
虽然机械式的计步器结构简单，造价也相对便宜，但是其准确灵敏程度比不上电子式计步器。
下面只要介绍了两种计步器，光电计步器和基于加速度传感器的计步器。
它们都属于电子式计步器。
1.1光电计步器
光电学产业的快速进步衍生了具有高效率的单色光源和灵敏的检测设备。
这些器件性能的进步让光电传感器研究目标提高到了新的台阶。
目前针对计步的方法有多种，但是准确程度都不一而足。
比如其中有一种计步方式运用的水银进行采集信息。
这种计步器虽然采用的传感器结构简单，但是增加了其数据采集误差。
市场上的计步器要求体积小，可编程，并且具有高效益，和抗干扰的能力。
但是光电类型的设备不可能避免的会受到外界因素的干扰，例如阳光和一些其它外界因素。
这类计步器还可以在达到设定值时报警，并且不会干扰到其它的电子设备。
[2]
如图2.1是光电计步器原理图
图1.1光电计步器原理图
如图所示，其系统结构包含一个光源和光探测器部分。
光源部分包括一个红外LED和一个脉冲的来源。
这个探测器的部分包括一个光电二极管，其频谱类似LED。
放大器连接到光电探测器的输出。
扩增信号是由一个计数器上的微处理器输入。
在图2.1中，PSL是LED的脉冲源，PSA是光电发射器的放大电路，SW1和SW2是的开关。
由于这些设备体积都非常小。
1.2基于加速度传感器的计步器
随着手机终端功能的丰富，利用随身携带的手机或手表来实现身体健康的监测成为了一种发展趋势。
以集成计步器为例子，来介绍计步器硬件和软件的组成以及实现的功能。
这一类的计步器系统通常都是采用的ADuc7026数模转换模块来进行信号处理，用ADXL340加速度传感器来采集信号，再由usb传输数据给上位机。
CY7C68013不但可以兼容USB2.0，并且还兼容USBl.1，还拥有805l微控制芯片口可以在RAM上的软解决方案的优势，这让其可以没有限制升级和配置。
2、ADXL3XX系列传感器的简介以及设计方案的提出
就目前的计步器消费市场上，性能精度比较高的大多是采用的（MEMS）惯性传感器实现的，这种惯性传感器具有性能高，功耗小等优点，再搭配以复杂算法软件，可以实现对步数的准确测量。
微机电系统的误检率通常都比较低，成本也相对比较便宜、小体积与低能耗的优点，所以目前许多的便携式终端都开始将计步器高度集成来实现相同的功能，例如平板和手机等。
加速度传感器作为一种检测加速力信息的器件，其加速力就是在物体加速状态下作用于在物体表面的压力。
其加速度传感器的原理为：
敏感元件在测试点的加速度变化信息转换为对应的电信号变化，再到调整电路来控制信号的信噪比，接着利用A/D转换器转换成数字信号，数字信号传递到微处理器，最后通过微处理器对信号进一步的处理。
为了提高精准性，在人运动的状态下，分析3个轴方向的加速度信号变化：
前向（X）、纵向（Y）和侧向（Z），从而判断出步伐。
在实验测试中这种计步器的精度高达96%，并且具有小体积，低功耗，这些优点都让它成为了各种类型的计步器的首选。
2.1ADXL335,ADXL345和ADXL346三轴加速度计的区别
加速度计，从字面上理解就是用来对物体加速度进行测量的，其内部结构复杂且精细。
主要包括：
弹簧，传感器材料壳体，电位器，支架构成。
通常加速度计会检测三个轴方面，但是其内部的检测质量只能对一条轴进行检测滑动，这条轴对质量变化比较敏感。
当载有加速度计的载体在运动的过程中，其内部的壳体也会随着运动而在检测质量的敏感轴上运动，因为惯性原理的作用，当发生运动时，最初静止的检测质量为了保持住它原来的静止状态，就会与壳体发生相对运动，进而使得内部的弹簧发生变化，弹簧的变化给检测质量以弹力，使得其加速改变其运动状态，当检测质量受到的惯性影响产生的相对运动和弹力所施加的一个运动的趋势相互抵消时，检测质量就不会有相对运动，此时，可以根据弹簧形变的大小来得到此时加速度计所处的状态的加速度的值。
因为整个加速度计内部还有一个电位器，其作用就是将此时的弹簧的形变大小而得出的加速度值转化为电信号，进而输出给微处理器进行信号处理。
美国Devices公司的ADXL（ADXL335,ADXL345和ADXL346）系列芯片为一个3轴的加速度传感器，将加速度在三维立体中的X、Y、Z轴上进行分解，从而分解为三个变量，加速度传感器对这三个轴上的分量进行实时的监控和测量，根据这三个分加速度的变化情况，对其信号进行采集，而这3个轴正好可以分别表示人在正常运动下的3个方向的信息采集信息。
2.1.1ADXL335的简介、特点及功能框图
ADXL335是一款集小体积、薄而小且低功耗等众多优点的传感器，且可以通过信号调整电压输出，最小能以±
3g范围的满量程检测。
它即可以检测静态重力加速度又可以检测动态加速度（冲击、运动、振动等）。
加速度计需要根据实际需求选择合适的带宽,，而加速度计的带宽是通过选择CX、CY和CZ这三个引脚上的电容大小，从而决定该加速度计的带宽。
ADXL335的特点：
（1）三轴检测；
（2）小尺寸、薄型封装；
（3）低功耗：
350μA（典型值）；
（4）单电源供电：
1.8Vto3.6V；
（5）抗冲击能力：
10,000g；
（6）出色的温度稳定性；
（7）通过三个轴上电容调整从而改变带宽；
（8）符合RoHS/WEEE无铅要求；
（9）X轴带宽0.5~1600Hz；
（10）Y轴带宽0.5~1600Hz；
（11）Z轴带宽0.5~550Hz；
ADXL335功能框图如图2.1（a）所示：
（a）ADXL335功能框图
（b）ADXL335引脚图
图2.1ADXL335功能及结构
2.1.2ADXL346的简介、特点及功能框图
ADXL346是13位高精度并且具有体积小、功耗低的三轴加速度计。
其可以由二进制的补码格式输出数据，也可以由SPI接口主动访问，进而主动输出数据。
ADXL346用于便携式设备再适合不过了。
这个器件可以探测重力静态加速度,也可以探测由运动或震动造成的动态加速度。
它的分辨率非常高，与此同时，它的最小分辨率也有0.25°
的倾角。
ADXL346特点如下：
（1）该型传感器采用0.95mm超薄型的封装形式；
（2）超低功耗；
（3）根据带宽自动调整功耗；
（4）其分辨率可以根据使用想要的进行选择，其分辨率随着感应范围变化而变化,当达到±
16g时分辨率就高达13位；
（5）利用数据输出FIFO模式32的水平，有效地提高了处理器的效率；
（6）动态/静态监测；
（7）自由落体检测；
（8）4个和6个方位感应；
（9）电压范围：
1.7~2.75V；
ADXL346功能框图和引脚图如图2.2所示：
（a）ADXL346功能框图
（b）ADXL346引脚图
图2.2ADXL346功能框图和引脚图
2.1.3ADXL345的简介、特点及功能框图
同样是ADXL系列的，ADXL345有着以上两种传感器都无法比拟的优势。
与上两种相比，其功能耗损最小。
ADXL345特别适合便携设备上的应用，它的高分辨率能够检测出倾角变化最小可达0.25°
。
ADXL345的特点如下：
（1）超低功耗；
（2）功耗随着带宽变化按一定比例变化；
（3）其分辨率可以根据使用想要的进行选择，分辨率随g范围变化而提高，±
16g时达到了13位；
（4）运用FIFO技术，极大降低处理器的运行负载；
（5）单振/双振检测；
（6）活动/非活动监控；
（8）电源电压范围：
2.0V至3.6V；
（9）I/O电压范围：
1.7V至Vs；
（10）通信方式为SPI或I²
C；
（11）中断模式丰富；
（12）抗干扰能力强；
（13）无铅/符合RoHS标准；
（14）小而薄；
ADXL345功能框图如图2.3所示：
（a）ADXL345功能框图
（b）ADXL345引脚图
图2.3ADXL345功能框图和引脚图
2.2系统总体设计方案
2.2.1ADXL345中断和寄存器功能分析
ADXL345有非常多的内部寄存器，正是这些多种多样的寄存器，可以实现更多样的功能。
运用寄存器来选择数据格式、中断使能和数字通信模式和省电模式与工作模式等等。
ADXL345具有两个中断引脚：
Int1和Int2。
而这两个引脚也可以对其进行编程，来实现所需的功能。
该传感器一共有8个中断源，分别为：
Data_Ready、Single_Tap、Double_Tap、Activity、Inactivity、Free_Fall、Watermark、Overrun。
每个中断源独立进行操作，互不干扰，也能选择是否映射到Int1或Int2（中断引脚）。
通过Int_ENABLE的相应位来控制中断使能或屏蔽，然后根据INT_MAP的相应位来决定是否映射到Int1引脚或者Int2引脚。
中断功能地定义如下：
（1）Data_Ready位：
该位被用来判断中断置位。
当有采集到新的数据，则中断置位。
若没有，则自动清除。
（2）Single_Tap位：
当运动的加速度一直维持并且超过门限值的状态时，发生中断置位。
（3）Double_Tap位：
当发生第一次Single_Tap位被中断置位后，在一定的时间内，Single_Tap位第二次发生中断置位，则该位中断置位。
图2.4所示该两位发生有效中断置位的情况。
图2.4Single_Tap中断和Double_Tap中断
（4）Activity位：
加速度计的门槛，如果运用的加速度超过一定的值，该位就会发生中断，从而被置位为0
（5）Inactivity位：
与Activity位类似，当运动的加速度低于一定的值时，该位将发生中断，置位为0。
（6）Free_Fall位：
该位的作用是对加速度进行检测，当其加速度低于门限值并且没有上升的变化并且维持了一段时间，则该位将被中断置位。
该位与Inactivity位基本类似，但是它们的区别在于Free_Fall位在对自由落体运动中的加速度进行检测时，对X,Y,Z三个轴都是同时的被使能或者禁用，而时间上也比Inactivity位的中断置位短。
（7）Watermark位：
该位一样是用作中断置位。
不同的是其只有在FIFO中存着的采样点数超过一定值时才会发生置位，如果是低于这个定值，则该位中断被清除[3]。
2.2.2基于51单片机计步器总体框架的构建
如下图所示，该计步器由STC89c52芯片、液晶显示模块LCD1602和加速度传感器构成。
首先当人体运动时，由加速度计传感器根据行走时重心变化来收集所需要的数据，然后将这些数据经过A/D转换器，将原来收集到的模拟信号转化为数字信号，接着再将这些经过转化的信号传递到单片机进行处理，经过一系列的数据处理之后，这些信号被发送到LCD显示屏，从而显示在显示屏上。
其具体的工作流程为：
先通过三轴传感器采集的3个方向加速度信号，再通过A/D转换器将信号转化为单片机可以接受的数字信号进行处理，最后将结果显示到液晶显示屏上。
其总体框图如图2.5所示。
图2.5基于单片机计步器总体框图
3系统硬件设计各模块电路
3.1传感器电路连接模块
ADXL345一款三轴加速度传感器，充分运用了MEMS的传感器技术，对外部信号灵敏度高收集信号并且以模拟信号的形式输出。
其对加速度的测量范围并不是固定不变的，而且测量的值也很多。
对±
2,±
4,±
8，±
16g都可以测量。
具有32级FIFO存储，其分辨率在同类加速度传感器中也具有相当不错的优势，可以达到13bit。
灵敏度高，功耗低，兼容标准的I²
C和SPI通信。
除此之外，因为其内部有丰富的寄存器，可以实现众多的功能，所以它的应用领域范围也很广，对多种运动状态的检测都可以很完美的实现，而且其内部中断也很丰富，中断方式多样。
这些优势使得在对ADXL345进行操作时，极大的降低了对应操作程序算法的难度，因此，它也被极其多的应用到多种领域作为检测器。
为传感器电路连接如图3.1所示。
图3.1传感器模块连接电路
此模块主要用于采集数据并且进行模数转换然后将加速度的变化值送到单片机，然后单片机进行处理，相当于整个系统的信号产生模块。
3.2微处理器模块
STC89C52单片机可在0Hz状态下进行静态逻辑操作，支持2种自由选择节电模式。
当处于空闲状态节电模式下，处理器会停止工作，但是其中的定时器等寄存器还可以继续工作。
在掉电状态节电模式下，RAM等都会被强制停止工作，此时单片机也不工作，除非外部给一个复位信号，不然一直处于此状态。
STC89C52RC单片机是最新一代运行速度快，功耗率低，抗干扰能力强大的单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下：
∙12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择
∙代码兼容传统8051
∙工作电压：
5.5V～3.3V
∙工作频率范围：
0～40MHz
∙用户应用程序空间为8K字节
∙片上集成512字节RAM
∙通用I/O口（32个）
∙ISP（在系统可编程）
∙IAP（在应用可编程）
∙无需专用编程器
∙无需专用仿真器
∙可通过串口下载程序
∙具有EEPROM功能
∙具有看门狗功能
∙共3个16位定时器/计数器
∙外部中断4路，下降沿或低电平触发
∙PowerDown模式可由外部低电平中断触发
∙工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）
∙看门狗定时器
∙4KBEEPROM
∙MAX810复位电路
∙MCS-51内核
∙7向量4级中断结构
STC89C52芯片可供选择工作模式所下：
∙掉电模式：
典型功耗<
0.1μA
∙空闲模式：
典型功耗2mA
∙正常工作模式：
典型功耗4Ma～7mA
∙掉电模式可由外部中断唤醒
STC89C52RC引脚原理图如下图：
图3.2.1STC89C52RC引脚图
如下图所示，以stc89c52作为控制芯片，外围接一个12M的晶振电路喝一个复位电路，再接上VCC和地就构成了最小系统模块如图3.2.2所示。
图3.2.2单片机最小系统电路图
单片机正常工作时，执行方式是取一条指令后执行一条指令。
在这过程中，取一条指令所消耗的时间就是一个机器周期，即单片机访问一次存储器的时间。
—个机器周期又包括12个时钟周期。
因为被次设计中使用的12MHz的内部晶振，即提供内部时钟，时钟周期为0.083us，而一个机器周期就是12个时钟周期，即1us。
3.3显示模块
液晶显示器，其能耗相对较低，又称LCD，它是由一定数量的彩色或黑白像素组构成。
LCD功耗非常低，所以适用于低功耗节能的电子设备上。
LCD的工作原理是通过导通电流点亮整个LCD的液晶平面上的无数个点构成线，在由无数条线构成面，再由LCD背面的发光灯组成一幅幅不同的画面。
LCD特点：
器件薄，有利用空间。
LCD属于低能耗的电子产品，还可以完全不发热，而传统的CRT显示器会产生高温从而增大了能耗。
其优点包括：
1）低辐射，益健康；
2）液晶显示器的辐射级别小于传统的CRT显示器；
3）画面柔和不伤眼；
4）液晶显示器画面不会闪烁；
1602LCD可以显示32个字符（共两行）液晶模块。
其管脚接口如图3.3所示，以下是1602主要的几个引脚的功能：
第1脚：
GND为电源地
第2脚：
VCC接5V电源正极
第3脚：
V0是液晶显示器对比度调整引脚，常接一个滑动变阻器来调节对比度
第4脚：
该引脚是选择寄存器的引脚，当输出为高电平时连接的是数据寄存器，当输出为低电平时，该引脚连接的是指令寄存器
第5脚：
RW有字母R和W是英文读和写的首字母缩写，读写操作，输出为高电平时，将进行读操作
第6脚：
E引脚是使能端,其为高电平时表明读取信息状态
第15、16脚：
一般不作使用，为空脚，或者用来给背部灯管供电
第15脚背光VCC管脚，16脚背光VDD管脚。
图3.3LCD1602显示模块电路图
3.4电源模块
所下图所示，图中P1为电池盒接口，SW1为电源开关，用来接通电源和断开电源。
这里采用的开关是自锁开关。
12和45是常开触点，23和56是常闭触点，当开关按下12和45导通，23和56断开，当开关弹起12和45断开，23和56导通，这样，在电路的实际设计中，只要随便在这两组中接一组就可以了。
图3.4电源电路
3.5整体硬件图
整体硬件图如下图所以：
图3.5整体硬件图
4软件设计
4.1软件总体设计
由于不一样的人行走时会有不同加速度的输出范围，所以算法中用动态参数的方式提供了一种自我调整的方法，用来满足不同行人的检测的准确度。
动态精度用来去除高频的噪声。
为了防止人体在不同时刻所处的运动状态会不同，所以设定每间隔50步后，重新采样获得新阈值，继续计数，为了防止若人已经停止运动，但是又没有按下结束按键，为了防止这种情况的发生，这里通过设置取在特定范围内变化的阈值作为有效阈值，然后在前后两段分别取两个阈值进行比较，看是否在有效阈值范围内，如此一来有效避免了出现误差而仍在计数的情况，从而加强了计数器的灵敏度与准确值。
4.2算法的实现
升级会员 