基于MEMS加速度器计步器设计毕业设计论文文档格式.docx
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毕业设计（论文）题目：
基于MEMS加速度器计步器设计
毕业设计（论文）内容：
利用人跑步和行走时的三个坐标轴的加速度变化规律，判断人的步数，并根据步距和行走方位，推出人行走位置。
毕业设计（论文）专题部分：
1.熟悉三轴加速度计的原理。
2通过三轴加速度计的各参数算法对三轴加速度计的计步器进行研究。
起止时间：
2012年3月---2012年6月
指导教师：
签字年月日
教研主任：
学院院长：
第一章引言
1.1研究背景
目前随着数字化时代的到来，越来越多的手持设备，例如手机、MP3和PMP等等，都要增加健康或者运动的功能。
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，就成为在这些手持设备上增加的功能之一。
计步器的构成有机械式和电子式两种。
机械式的计步器利用人体行走时的振动引起计步器内部簧片或者弹力小球的振动来产生电子脉冲，内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。
这种机械式方式的成本比较低，但是它的准确性和灵敏度很低。
1.2国内外的研究现状
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。
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。
电子计步器主要由振动传感器和电子计数器组成。
人在步行时重心都要有一点上下移动。
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，由电子计数器记录并显示就完成了主要功能，其他的热量消耗，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]。
随着手机功能的逐渐增多，在手机上实现一些与健康有关的功能也已成为一种热点，例如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。
比如人在运动时会产生加速度，因此采集到加速度数据以后加以适当的算法就可以实现计步功能。
这是一款基于加速度传感器ADXL345的计步器。
该计步器系统上还具有USB接口，可与PC机进行高速数据传输。
本文介绍了利用人运动时产生的加速度变化来检测步数的计步器实现方案，利用具有体积小，功耗低，三轴高精度加速度传感器ADXL345，芯片内部即可把数据采集来的数据处理为数字数据，同时芯片中还集成了SPI和I²
C接口，可以方便地将数据传输到毛控芯片。
该系统设计设计简单，实现方便。
该芯片也可以扩展到其它需要测量加速度的应用场合，具有广阔的应用场景。
其中ADXL345是一款超低功耗小巧纤薄的3轴加速计，可以对高达±
16g的加速度进行高分辨率（13位）测量。
数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI（3线或4线）或者I²
C数字接口访问。
ADXL345非常适合移动设备应用。
它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度。
它的高分辨率（4mg/LSB）能够分辨仅为0.25°
的倾角变化。
它提供一系列特殊的感测功能。
动态和静态感测功能可以检测有无运动发生，以及在任何轴上的加速度是否超过用户设置的水平。
点击感测功能可以检测单击和双击动作。
自由落体感测功能可以检测该设备是否正在掉落。
这些功能可以映射到中断信号输出的引脚上。
一个集成的32级FIFO可用于储存数据，从而最小化对主处理器的影响。
ADXL345的特点如下[2]：
（1）超低功耗：
Vs=2.5V时（典型值），测量模式下低至23uA，待机模式下为0.1uA。
（2）功耗随带宽自动按比例变化。
（3）用户可选的分辨率：
10位固定分辨率；
全分辨率，分辨率随g范围而提高，±
16g时高达13位（在所有范围内保持4mg/LSB的比例系数）。
（4）正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理负荷降至最低。
（5）单振/双振检测。
（6）活动/非活动监控。
（7）自由落体检测。
（8）电源电压范围：
2.0V至3.6V。
（9）I/O电压范围：
1.7V至Vs。
（10）SPI（3线和4线）和I²
C数字接口。
（11）灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚。
（12）抗冲击能力：
10000g。
（13）无铅/符合RoHS标准。
（14）小而薄：
3mm×
5mm×
1mm，LGA封装。
低功耗模式使具有阈值感测和运动加速度测量功能的ADXL345智能功率管理的功耗极低。
ADXL345采用14引脚塑料封装，具有3mm×
5mm×
1mm的小巧纤薄的外形尺寸。
方向感应器的实现靠的是iPhone的内置加速计[3]。
iPhone所采用的加速计是三轴加速计，分为X轴、Y轴和Z轴。
这三个轴所构成的立体空间足以侦测到你在iPhone上的各种动作。
在实际应用时通常是以这三个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算iPhone倾斜的角度，从而计算出重力加速度的值。
通过感知特定方向的惯性力总量，加速计可以测量出加速度和重力。
iPhone的三轴加速计意味着它能够检测到三维空间中的运动或重力引力。
因此，加速计不但可以指示握持电话的方式（或自动旋转功能），而且如果电话放在桌子上的话，还可以指示电话的正面朝上还是朝下。
该器件提供多种特殊检测功能。
活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。
敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。
自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。
这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。
正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理负荷降至最低，并降低整体系统功耗。
低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。
1.3研究的目的和意义
如今，先进的计步器利用MEMS（微机电系统）惯性传感器和复杂的软件来精确检测真实的步伐。
MEMS惯性传感器可以更准确地检测步伐，误检率更低。
MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点，因此越来越多的便携式消费电子设备开始集成计步器功能，如音乐播放器和手机等。
为了达到准确性，在运动过程中，分析了3个不同方向的加速度数据：
前向、纵向和侧向。
利用人运动时产生加速度变化来检测步数的计步器，在实测时计步器的精度达到96%，已经比较不错，能较好的实现计步功能。
而且体积小，工作电流只有1mA-1.5mA，低功耗，非常适合应用于手持式设备。
这种基于三轴加速度计的计步器在人们日常生活中可以简单方便的应用。
1.4论文结构
本文共分为六章：
第一章为引言部分，介绍了计步器设计的研究背景，给出了本文的研究内容、国内外的研究现状、目的和意义，提出了本文的设计指标。
第二章为芯片的概述，介绍了3轴加速度计ADXL345的特点及其功能，SPI接口，STM32F103系列芯片和CY7C68013A芯片的特点及其功能等。
第三章介绍了系统硬件的简单模块，系统硬件模块主要包括传感器电路连接模块，微处理器模块，EEPROM模块，显示模块等。
第四章为系统的软件设计。
给出了软件的总体设计和计步器算法的实现。
第五章为实验数据和结论。
第二章芯片简介
2.1三轴加速度计ADXL345的性能规格
2.1.1三轴加速度计ADXL345的简介
ADXL345是一款超低功耗小巧纤薄的3轴加速计，可以对高达±
ADXL345非常适合移动设备应用。
2.1.2三轴加速度计ADXL345的特点
（10）SPI（3线和4线）和I²
（14）小而薄：
方向感应器的实现靠的是iPhone的内置加速计。
在实际应用时通常是以这三个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算iPhone倾斜的角度，从而计算出重力加速度的值[4]。
ADXL345功能框图如下：
图2.1ADXL345功能框图
图2.2ADXL345引脚图
该器件提供多种特殊检测功能。
低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量[5]。
ADXL345采用3mm×
5mm×
1mm，14引脚小型超薄塑料封装。
鉴于对成本及模拟输出的考虑，ADXL345加速度计更适合，因此，本次设计采用的是ADXL345三轴加速度计。
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