健身计步器.docx

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健身计步器

中文摘要

改革开放三十年来，随着社会的不断进步，人们的生活水平也不断的提高了，许多人把健身当做每天的一门必修的功课，在诸多的健身方法中，跑步便成了他们最有效，最简单的运动方法，计步器也成了计量跑步时间、步数和消耗卡路里的最简易、有效的工具。

因此我设计了一款健身计步器，他的工作工程大致如下，首先传感器将外界的信号转换成具有一定振幅的波形，经过调理电路将波形过滤并且放大，再见过斯密特触发器进行整形，这时输出的波形便是具有可以用来计数的脉冲信号，将其输入由四个十进制组成的计数显示器，在数码管中便可以显示最大为9999的步数。

同时将施密特触发器输出的波形用两个五进制连接成的二十五进制的分频器然后再接入计数器，便可以显示健身过程中所消耗的卡路里数。

有了计步显示和计量卡路里的装置的同时，我又在在计数器的百位向千位进制的脉冲引入一个由555组成的单稳态触发器和一个由555组成的多谐振荡器构成的定时电路中，在电路末端接入发声片，用以提醒健身者所走的步，每1000步发声片响5秒。

我在计步器上同时设计了计时电路，它首先由555组成的多谐振荡电路产生的1000Hz频率信号，经过三个十进制计数器组成的千分频器，将频率信号变为1Hz的秒脉冲，再将其六十分频便可以产生分钟信号，经过译码显示，便可以记录健身者的健身时间。

在我的设计中，我将整个系统划分为若干个功能模块，传感器接受震荡反映产生波形模块、调理整形模块、计算步数模块、计算卡路里模块、1000步提醒模块、1kHz频率产生模块、分频模块和分钟显示模块、计数复位模块等组成。

每个功能块还对应的相关的电路图，而且还详细的说明了电路图的组成元件，和各个元件的名称、功能、和运行原理，各个部件在此路中的作用，怎么实现所须的功能，合考虑了各方面的因素，选择最适合的器件。

在较充分的原理和仿真实验的基础上，经过反复的调试与修改，最终达到了设计项目要求。

关键词电力系统，计数器，译码器，显示器，555定时器

1设计任务描述1

1.2设计要求1

1.2.1设计目的1

1.2.2基本要求1

1.2.3发挥部分1

2设计思路2

3设计方框图3

4各部分电路设计及参数计算4

4.1信号处理电路4

4.1.1传感器简介：

4.1.2调理电路和555组成的施密特触发器4

4.2计步器计数装置5

4.2.1计数器组成的计数部分5

4.2.2显示部分6

4.3能量卡路里计数装置6

4.4提醒电路的实现6

4.4.1单稳态触发器设计及参数计算7

4.4.2多谐振荡器的设计及参数计算8

4.5计时信号的产生，处理以及显示装置8

4.5.1计时信号的产生8

4.5.2千分频电路9

4.5.3健身分钟显示电路9

4.6复位开关部分10

5工作过程分析12

6元器件清单13

7主要元器件介绍14

7.1计数器74HC16014

7.1.1引脚图14

7.1.2功能表14

7.1.3功能介绍14

7.2计数器74HC161D15

7.2.1管脚图15

7.2.2功能表15

7.2.3功能介绍15

7.3LM555CM介绍16

7.3.1管脚图16

7.3.2功能表16

7.3.3各引脚功能16

7.3.4555组成的单稳态触发器17

7.3.5555组成的多谐振荡器18

7.3.6555组成的施密特触发器19

7.4SR锁存器19

7.4.1管脚图19

7.4.2功能表19

7.4.3功能简介19

7.5显示器DCD_HEX_GREEN20

7.5.1管脚图20

7.5.2功能介绍20

小结21

致谢22

参考文献23

附录A1逻辑电路图24

附录A2印制电路板图25

1设计任务描述

1.1设计题目：

健身计步器的设计

1.2设计要求：

1.2.1设计目的

（1）掌握健身计步器的构成、原理与设计方法；

（2）熟悉集成电路的使用方法。

1.2.2基本要求

（1）健身计步器中的传感器将人走（跑）一步的振动以脉冲的形式发出，将此脉冲整形作为基准计步脉冲；

（2）可以记录走（跑）的步数，最大值为9999；

（3）假设每走25步可以消耗1卡的热量，所消耗卡路里的计数译码显示；

（4）记录本次健身的时间（可以分钟为单位）。

1.2.3发挥部分

（1）每走1000步发出时候发出声音；

（2）设置一个复位开关，可以随时复位计数值。

2设计思路

这次我设计的健身计步器由以下几个模块组成，它们分别是:

传感器接受震荡反映产生波形模块、调理整形模块、计算步数模块、计算卡路里模块、1000步提醒模块、1kHz频率产生模块、分频模块和分钟显示模块、计数复位模块等组成。

以上模块联系到一起便可设计成一个简单的健身计步器，具体功能实现如下所述：

首先传感器将外界的信号转换成具有一定振幅的波形，经过调理电路将波形过滤并且放大，再见过斯密特触发器进行整形，这时输出的波形便是具有可以用来计数的脉冲信号，将其输入由四个十进制组成的计数显示器，在数码管中便可以显示最大为9999的步数。

同时将施密特触发器输出的波形用两个五进制连接成的二十五进制的分频器然后再接入计数器，便可以显示健身过程中所消耗的卡路里数。

为便于使用者方便，我还设计了置零按钮，它用SR锁存开光和逻辑开关构成，SR锁存器可以消去按动开关时的振荡干扰信号，使使用者不会在健身中错误将计步器归零。

这大大增强了这个健身计步器的可操作性。

以上就是我设计的简易健身计步器的简单思路，它可以简单方便的显示健身者的运动量、消耗卡路里量和运动者的运动时间，能让健身者在健身过程中做到心中有数，给健身增添情趣，同时这个健身计步器也很实用的。

3设计方框图

器传感

频率产生

滤波

分频电路

整形

时间显示

卡路里显示

计步显示

声音提醒

复位开关

4各部分电路设计及参数计算

4.1信号处理电路

4.1.1传感器简介：

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。

加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。

加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。

一般线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。

我们在这里采用一个加速度传感器作为健身计步器的信号采集部分。

4.1.2调理电路和555组成的施密特触发器

由于传感器产生的波形小而且不稳定，我在信号处理的开始采用三级放大的调理电路和施密特触发器进行放大和整形，调理电路其一级别是对波形进行过滤，第二级和第三级都是对电路的放大，使信号更加有规律，削弱了一些干扰信号，这样一来便于以后信号的使用，

用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。

输入的信号只要幅度大于VT+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。

当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。

无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。

只要施密特触发器的VT+和VT-设置得合适，均能受到满意的整形效果。

经过调理电路和施密特触发器电路处理的信号便较规整可以用于计数了。

4.2计步器计数装置

4.2.1计数器组成的计数部分

计步器计数装置

上图所示位健身计步器的计步部分，，每当脉冲上升沿到来的时候，计步部分的计数器从零开始计数，由于我用的示74LCV161D计数器，它原本是一个十六进制的计数器，我将其改接成十禁止的计数器，具体方法是加增加与非门，使之实现同步十进制计数。

当地十个CP脉冲上升沿到达时，输出为1010过一个与非门译码后，反馈给置数端一个清零信号，立即使QD、QC、QB、QA返回到0000的状态，从新开始新的计数，开始新的计数周期，这样就跳过了1011-1111状态，使计数器清0重新计数构成了十进制的同步计数器，计数器的计数顺序时从右向左，依次纪录个位，十位，百位，千位，最多可以纪录跑的9999，扩展部分可以在计数器的输出端接非门，我们要求每跑1000步就会有提示音提示，这样可以在输出为QA端接一个非门，每当QA端输出信号，即跑到1000步时，“1”从QA端输出，通过非门后转化为了“0”，将信号传给声音提示系统实现提醒，声音提醒系统将在下

面论述。

4.2.2显示部分

显示部分是由DCD_HEX_GREEN来做到的，实际它是一个虚拟原件，它的功能可以实现译码器、限流电阻和七位数码显示管，由于画原理图简便，所以这里使用它。

4.3能量卡路里计数装置

下图所示是计算体能消耗的一个换算电路，人每走25步消耗1卡路里的能量，所以在接受到的脉冲做25分频电路，这样一来再计数，就是健身者的卡路里的消耗量；这个分频是利用74HC161D来实现的，把每一个74HC161D都连接成五进制，其方法是在输出0101时将信号到处与非接回置零端和下一个计数器的进位端，由于置零端和下一个进位都是下降沿，这里也要用到与非门；将二十五分频输出接端，接入有显示器的计数器，便可以实现功能，计数器的接法与计步的相同，只不过最大值是999，计步数和计体能消耗是一个脉冲信号源输入的所以，二者应该是关联的。

4.4提醒电路的实现

图中所示的是利用555接成的单稳态触发器与555结成的多谐振荡电路以及发声片所组成的计步提醒装置，这里有两个不同的555组成的装置。

4.4.1单稳态触发器设计及参数计算

上图左侧的555是一个单稳态触发器，它采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。

其工作原理如下：

1、稳态（触发前）：

Vi为高电平时，TRI=1，输出OUT为低电平，放电管T导通，定时电容器C上的电压（6、7脚电压）DIS=THR=0，555定时器工作在“保持”态。

2、触发：

在Vi端输入低电平信号，555定时器的TRI=0端为低电平，电路被“低触发”，Q端输出高电平信号，同时，放电管T截止，定时电容器C经R（图中405K电阻）充电，VC逐渐升高。

电路进入暂稳态。

在暂稳态中，如果Vi恢复为高电平（TRI=1），但VC充电尚未达到

VCC时（THR=0），555定时器工作在保持状态，VO为高电平，T截止，电容器继续充电。

3、恢复稳态：

经过一定时间后，电容器充电至VC略大于

VCC，因VTHR>

VCC使555定时器“高触发”，VO跳转为低电平，放电管T导通，电容器经T放电，VC迅速降为0V，这时，TRI=1，THR=0，555定时器恢复“保持”态。

4、高电平脉冲的脉宽TW：

当VO输出高电平时，放电管T截止，电容器开始充电，在电容器上的电压<

VCC这段时间，VO一直是高电平。

因此，脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC=

VCC的这段暂稳态时间。

5、脉冲宽度计算公式：

Tw=1.1RC。

本设计电路希望其连续发声5S，电容采用10uF电容，所以可以计算出电阻为：

我选的参数为Tw=5SC=10uF代入公式计算；

所以R=405k

4.4.2多谐振荡器的设计及参数计算

这里555组成的多谐振荡器的信号发生过程基本与单稳态相似，但电容器C的充电电阻是（R1+R2），放电电阻是R2。

当VC是低电平时，555定时器低触发，VO为高电平，放电管T截止，电容器经（R1+R2）充电，当充电至VCON=VTHR>

VCC时，电路高触发，输出VO变为低电平，放电管T导通，电容器经R2放电，当放电至VCON=VTRI<

VCC时，电路又进入低触发，VO变为高电平，如此周而复始，循环不止，输出连续脉冲信号。

它的参数可以由以下的公式进行计算：

脉冲宽度计算公式：

Tw=0.7（R1+R2）C

振荡周期计算公式：

T=0.7（R1+2R2）C

产生频率的计算公式：

=1/T=1.413/（R1+2R2）C

我的设计要使发生片接到一个1200Hz的频率波，要先确定其中一个电阻和一个电容的参数，我先把R2=2.4k

C=220nF,那就可以计算出R1=611

4.5计时信号的产生，处理以及显示装置

4.5.1计时信号的产生

555多谐振荡器

计时信号的产生我同样使用的555多谐振荡器，原理同4.3.2的叙述，只是参数输出改变了，这里我要产生一个1000Hz的频率，再经过处理用于分频，参数计算后可以得出两电阻R=4.81k

两电阻C=100nF,如图所示是接好的振荡电路，它产生的频率是992.13Hz,能达到我的设计要求。

4.5.2千分频电路

千分频电路

如图所示是由三个十进制计数器74HC160D连接成的千分频电路，它可以把前面产生的1Hz的频率分成为1Hz的秒信号，信号由左上侧的计数器的2脚进入，由右侧的计数器的15脚输出，用于计时使用。

4.5.3健身分钟显示电路

秒信号转变为分信号的接线和显示电路

这部分电路接到前面产生的秒信号，由两个74HC160计数器接成60进制计数器把秒信号转化成分钟信号用于显示输出，60进制计数器是由一个六进制计数器和一个十进制计数器连接成的；右侧的分钟信号由两位组成分钟满10进1，最大满足99分钟的计时。

4.6复位开关部分

复位开关部分连接电路

复位电路部分实际是由一个SR锁存器和一个开关连接而成的，开关在工作时产生的抖动，SR锁存器能起到去抖消颤的作用，这样也使得健身计步器在使用时产生不需要的复位情况。

它只要是使各个显示数码管的数字都置零来实现这一功能的，这个开关是随时可以进行操作的，而且是计步和计时间同时的。

5工作过程分析

健身计步器是计算人体运动所走部分的测试仪器，它能将人体走动时的震动由加速度传感器转变成电子电路识别的数字信号。

它这样实现转化：

加速度传感器上下运动，线圈由于惯性切割磁感线，产生感应电流，由于人体运动具有一定幅度和频率，加速度传感器产生的波形也类似于正弦信号。

将此信号滤波，放大，整形，实现模拟信号到数字信号的转换。

将经过处理的方波信号输入到计数器的输入信号端，作为计数器的计数控制脉冲。

再经过由74HC161D计数器接成的十进制计数器，它通过进位端及与非门与其它计数器相连，就可以实现串连功能。

设计中共使用了四片计数器之间的串联，组成了0－9999的计数功能，再经过显示器的显示就能实现计步的功能。

同时将经过处理的方波输入到计数器的时钟脉冲端，经过25进制（由74HC160D接成两个五进制计数器在串联构成）的计数器再输入到十进制计数器的时钟脉冲端，这样每走25步便得到一个脉冲，便形成了计卡路里功能。

设计中共使用了3片计数器，组成了0－999的计数功能，再通过七段显示译码器的译码输出，就可以直观的显示出来。

声音提醒电路由单稳态触发器和多谐振荡电路构成，当步数到1000时，计数器向千进位的脉冲输出作为单稳态触发器的输入，由它定时5s的信号再输入多谐振荡器产生1200Hz的频率供应发生片的发声，答到提醒的功能。

计时功能的实现同样需要555的多谐振荡器，产生1000Hz的频率信号，由三个74HC160构成千分频将信号分成秒信号，由于只需要显示分钟信号，所以再用六十进制分频使其构成分信号，这时用显示数码管显示（译码器、限流电阻和七位数码管）,最多显示99分钟，

使用者可以在查看完跑步各项参数后进行置0设置，继续进行健身锻炼。

考虑到在跑步过程中震动幅度比较大，在复位开关中我设计了防颤电路，以解决在跑步过程中意外置零的现象。

以上就是我设计的健身计步器的工作过程分析，它可以实现基本的功能，但我认为还应有后续的设计以保证其工作性能。

6元器件清单

序号

元件名称

规格及用途

数量

定时器

LM555CM

4片

计数器

74HC161D

9片

计数器

74HC160

7片

显示器

DCD_HEX_GREEN

9片

与非门

7400N

12片

电阻

20k

1个

电阻

4.81K

2个

电阻

400

5个

电阻

100K

2个

电阻

200

1个

电阻

2.4K

1个

电阻

611

1个

电阻

6个

电容

10uF

4个

电容

1uF

2个

电容

10nF

2个

电容

220nF

1个

电容

6uF

1个

电容

7.52uF

1个

电容

2.4uF

1个

电容

2.8uF

1个

电容

591uF

1个

非门

7405U

1个

运算放大器

OPAMP_3T_VIRTUAL

3个

数码管

DCD_HEX_GREEN

9个

二极管

1N119

7个

开关

1个

开关

1个

加速度传感器

------

1个

蜂鸣器

SONALERT

1片

7主要元器件介绍

7.1计数器74HC160

7.1.1引脚图

7.1.2功能表

输入

输出

清零

预置

使能

时钟

预置数据输入

QDQCQBQA

进位

LOAD

CLR

ENP

ENT

CLK

RCO

↑

保持

↑

计数

7.1.3功能介绍

74HC160D是常用的十进制计数器，异步清零端LOAD，当它为低电平时，无论其它输入端是何状态（包括时钟信号CLK），都使片内所有的触发器状态置零，只有在LOAD接入高电平是才起作用。

并行置数使能CLR，只需在LOAD之前保持低电平，数据输入端D~A的逻辑值便能在CLK上升沿到来后置入片内4个相应的触发器中。

由于该操作与CLK上升沿同步，且D~A的数据同时置入计数器，CLR置数操作具有次高优先级，仅低于LOAD，计数和保持操作时都需要求为1；数据输入端，在LOAD上升沿到来前至少提前将预置数据摆在D~A输入端，且CLK=0，则上升沿到来后，D~A便置入触发器。

计数使能CEP只要在上升沿到来前至少一个建立时间期间内保持高电平，且CET=1，上升沿就能使计数器进行一次计数操作。

CEP主要控制本芯片的计数操作。

计数使能CET，该信号和CEP做与运算后实现对本芯片的计数控制，当CEP=0，即两个计数使能端中有0时，不管有无脉冲作用，计数器都将停止计数，保持原有状态；当LOAD=CLR=CET=CEP=1时处于计数状态。

与CEP不同的是，CET还直接控制着进位输出信号RCO。

计数输出QD~QA计数器中4个触发器的Q端状态输出。

进位信号RCO，只有当CET=1且QD~QA=1111时，RCO才为1；当清零信号为0时，各触发器置0，当清零信号为1时，若预置为0，在下一个时钟脉冲上升沿到来后，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同。

在清零和预置都为1的条件下，若使能端为1，则电路处于计数状态。

直到使能端为0时，技术状态结束。

。

此后处于禁止计数的保持状态。

进位信号只有在QDQCQBQA=1001且CET=1时输出为1，其余时间均为0。

7.2计数器74HC161D

7.2.1管脚图

7.2.2功能表

输入

输出

清零

预置

使能

时钟

预置数据输入

QDQCQBQA

进位

LOAD

CLR

ENP

ENT

CLK

RCO

↑

保持

↑

计数

7.2.3功能介绍

74HC161D也是使用较多的一种计数器，它的功能除了是十六进制外都与74HC160相同，由于上文有74HC160的介绍，这里就步在重复介绍了。

7.3LM555CM介绍

7.3.1管脚图

7.3.2功能表

输入

输出

阀值输入

Vcc

触发输入

Vcc

复位

输出

不变

放电管T

导通

截止

导通

不变

7.3.3各引脚功能

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

2脚：

低触发端

3脚：

输出端Vo

4脚：

是直接清零端。

当

端接低电平，则时基电路不工作，此时不论

、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6脚：

TH高触发端

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

7.3.4555组成的单稳态触发器

上图所示为单稳态触发器的电路和波形图。

单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度（TW）：

将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后，可输出脉宽一致的脉冲信号。

另外，单稳态触发器也常用于定时器电路中，调整RC的值可以得到不同的定时值。

单稳态触发器采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。

在图的电路中，Vi接555定时器的

端，其工作原理如下：

稳态（触发前）：

Vi为高电平

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