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1、word完整版基于单片机的多功能计步器1.引言11。1选题的目的11.2选题的意义21。3国内外研究现状22。系统基本原理及系统设计方案32。1多功能计步器的基本内容32。2传感器的选择32。3 MCU微处理器的选择42.4 系统的总体设计53。系统的硬件设计63.1微处理器电路模块63.2计步器传感器采集模块73。3 数字温度传感器模块93.4显示模块104.软件设计114。1软件主流程图114。2计步器算法的实现125。硬件及软件测试155。1实物图展示155。2功能模块测试165.3软件测试166。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

2、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AD转换、信号的采样利用单片机的内部的结构中的AD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

3、个的设计的需要的电流仅为1-1.5mA，达到了少的功耗.关键词:计步器加速度传感器 ADXL345 低功耗1。引言1.1选题的目的随着科学技术和文化的不断发展，健康在人们物质生活和精神生活中变的越来越重要.人们开始关注身体的健康，追求更高质量的生活水平。因此，可以实时测量人们在日常生活中的运动的计步器就诞生了。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4000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

4、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

5、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

6、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

7、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。1.3国内外研究现状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

8、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GcnnaiHiraga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1965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

9、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

10、体进行了功能的验证和调试。2.2传感器的选择方案一：选择机械式振动传感器振动的传感器是机械式的，机械式的内部有一个平衡的锤，每次当传感器出现振动的时候，就会打破了其中的平衡,所以这样就会造成通或者是断在上的触点和下的触点。运动的人会在身体上携带上计步器，当运动的人在步行或者运动的时候，人体的重心就会出现上或者是下的来回起伏,振动的传感器是存在计步器的内部的,所以就会感知到加速度信号，然后将这种加速度的变化转换到数字的量输送到控制的单元中,以便能够获得运动的人的自己的运动的信息。机械式的振动的传感器的原理是简单的明了的、价格低的和精度低的，适用于振动的幅度大的场合。方案二:选择加速度传感器三轴的

11、加速度的传感有三种，其分别是压电式、电容式、压阻式。在电压式传感器中，其电压的值是会随着加速度的变化而变化的，从而使得加速度可以测量。在电容式的传感器和电阻式传感器中，其工作原理也是类似的，通过改变的对应值来获得加速度的值。运动的人在运动的过程中可能上或者下的浮动，微控制器获得了模拟量，通过这个计步的算法的分析获得了运动的信息.三轴的加速度的传感器具有反应的速度很快、通讯的协议简单又可靠、精度很高等特点,广泛的使用在数码的产品、航天的设备、汽车等领域。方案三：选择压力传感器压力传感器是将压力的变化转化为电压的变化.利用这一特点，可将压力传感器放在鞋的底部，当用户在前进过程中,压力传感器感受到的

12、压力不同（放脚的时候脚对于鞋来说存在着压力，抬脚的时候脚对鞋不存在着压力），所以计步器的主控的单元用来获取了压力的值,进而转换为步伐数据.表 1 将以上三种传感器做了对比，具体的数据如下：表 1 传感器特性对比表传感器类型机械式振动传感器加速度型传感器压力型传感器工作电流(mA） 5 30-精度（g） 0.1 0.002 -市场价格(元) 1。0 5。0 -2008年,北京举行了奥运会,在运动会上将压力传感器放置与运动员的鞋底，用测运动的人员的蹬地的时间、蹬地的力、运动的速度、脚底的接触的形状等多种信息，方便教练更好的指导运动员来取得优异的成绩。如今这种放置宇鞋底的压力传感器包含宇柔力性的传感

13、器。但是由于这种压力传感器的设计难度比较大、再加上成本较高，所以不适合本设计。本课题原则上需要达到高精度的要求，机械式的振动的传感器的测量的精度是很低的，很容易的出现了严重的漏判和误判的现象，这种的多被用在了早期的计步器当中。迄今为止,加速度传感器在市场上的广泛使用.不同的型号的加速度传感器如表 2 所示。表 2 加速度传感器特性对比表型号 LSM303DLH MPU-6050 ADXL345工作电流(mA） 0。83 500 150精度（g) 0。0003 0.0003 0。008价格(元） 40.0 50。0 3。0整合精度、价格和功耗等各方面的要求与考虑，本课题决定选择的ADXL345三

14、轴加速度传感器来作为本设计的计步传感器.2。3 MCU微处理器的选择方案一:采用8位的微控制器8051的微控制器是8位的微控制器中的最为突出的。8051的微控制器是一种的较为简单的微控制器,它很适合刚开始学习的人来用，因为它的资料很全、内核较为简单、应用范围比较的大，再加上它的价格低,所以它是一种适用于低的成本的电子的使用。正是因为这个超低的价格，所以8051的微处理器在我国的很长的一段时间内便广泛的应用于我国的小型的家电的市场。方案二：采用16位的微控制器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

15、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Kinetis 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

16、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

17、过程如图 1所示。LCD1602数据显示ADXL345传感器采集器微处理器STC89C52单片机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微处理器电路模块微处理器电路模块可以处理计算机的软件中的数据、可以解释计算机的指令以及控制时间，这一模块有很重要很关键的作用在进行系统运行过程中。在STC89C52微控制器中的执行单元中的算数逻辑单元是重要的组成部分.它包含两部分:算数单元和逻辑单元。算术运算逻辑单元可以进行简单的输入输出信息通过总线。算数逻辑的单元进行如何设计很大程度也决定着处理器是否高速。目前市场上存在一种带缓存的机制并且所读的传输速度较

18、快的就是高速缓存存储器。一般情况下它的容量很小。我们都知道缓存的优点就是不需要每次都进行查询,当我们每一次在把数据导入时，它会在它本身的缓存的区域中保留有数据。这样它就可以很好的降低了和最耗资源的部分的元器件之间的交换和交流.在硬盘中存在着缓存的机制，这种机制更多的应用在预读取、写入、临时存储这些作用上。人们把总线比喻成一条通道，因为它通过连接着各种元器件来进行信号的一些交流,也被成为是一种中间媒介。它既能让数据从一头输送到一头，在进行数据传送的同时也能从不同的方向到同一个方向。译码器总共包含两个步骤，其中一个是自己被赋予特定的含义通过一部分特别的符号,通常情况下选择二进制代码来描述这些特别的

19、符号。编码的意思就是抽象的描述一个事情来通过二进制代码来标记一条信息或者是一个信号.然而第二部分是尽最大可能的还原信号原本的特性，再将编码所得出的信号进行转化成可以显示的特定的格式。寄存器是一种高速的存储的部件，包含在单片机的微控制器中，它的作用是用来保存有限的资源。它还可以用来调用数据的地址，还可以短暂的保存一下数据的指令.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

20、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EEPRO

21、M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3。2计步器传感器采集模块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GCell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 ADXL3

22、45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 GCell传感器的物理的模型ADXL345三轴加速度传感器有三个互相正交的测量方向，当放置稳定在人们的身体上后，这三个互相正交的测量方向也就被赋

23、予了属于它们的数据的含义.ADXL345的引脚如图 6所示。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。数字的输的数据是16位的二进制的补码的体式，它能过I2C或SPI(3线或4线)的数字的接口的探问。ADXL345能好的测到打或者动的非静态的加速度，而且还可以测量应用倾斜中的非动态的重力的加速度.它符合了移动的设备的应用的要求,被大范围的用。它的高的分辨率(3.9mg/LSB），能测没达到的1.0的斜的角度的改变。如图 7所示，图为传感器连接的模块：图

24、7 传感器连接模块3.3 数字温度传感器模块DS18B20的工作的原理与DS1820一样。二者之间唯一的差别就在于内部AD转换后的位数不一样，其表现为实际的精度不一样.DS1820的转换时间也要慢1250毫秒。图 8中的低的温度的系数的晶振的振荡的频率受到温度的影响是很小，它能有稳定的频率的脉冲的信号来送到计数器1中。高的温度的系数的晶振因温度的变化，因此它的振荡的发生率有明显的变化，最后的信号的输到计数器2中。温度的寄存器和计数器1中存放的数据是温度测量的基本温度值，是在零下55的时候测量的。计数器总1会进行减法运算,其是与传感器中的低温系数晶振的信号进行。在计数器1中的值从预设的被减到0的

25、时候，对应的温度寄存器就会自动把内部数据加1,同时,计数器1也会被重新载入初始值。一直重复这个过程一直到计数器2的计算数值到0的时候,便不加温度的寄存器的值.图 8DS18B20内部工作示意图1.该温度传感器由三个引脚分别是两个电源引脚，一个数据引脚。2.电路从DQ和VDD为高电平时“偷取”能量，当特定的时间和电压适合时，可以给电路提供充足的能量。寄生电源的优势有二,不要有远的电的源头.在很少供电时，可读ROM，为了使芯片能够精确的对温度进行转换，当转换温度时确保供电充足.值得重视的是,如果运行电流到达1。5mA,由于5K的上拉电阻，DQ不能得到足够的能量，这对单总线上连接多个芯片同时进行转换

26、是很不利的。3.DS18B20的核心功能是测量环境的温度，其不仅可以测量空气环境的温度，还能测量水中的温度。传感器默认情况使用12位模数转换器.这相当于现实不同的精度。传送时最低有效位LSB优先，最高加权位包含了标识温度正负的“S”位.4.温度转换完成后，温度将和TH与TL进行比较，如果不在这个范围之内则会返回一个警示标志。允许多芯片同时并进行温度测试，如果某处芯片超出了此范围,此芯片可以被辨别出并立即读取警示的芯片.3。4显示模块LCD1602是一种液晶显示器,引脚图如图 9所示，作为一种显示的设备，它具备了很多很多的优点，它的功耗很低，并且他的平面是很超级轻薄的特点,它被广泛用在电池，属于

27、一种电子的设备。它通过依靠电流来刺激上面的液晶上的分子，有了点、线、面，然后配合着后面的灯管来共同的生成了画面的功能，这就是它的主要基本原理。其中由一定的数量的黑白的像素或者是彩色的像素来构成，需要把它放置在反射的一面或者光源处。LCD具有很多的特点,它是一个节约电能量的设备，不会很容易的产生高的温度，因此它属于一种低耗电的这种产品，尽力的实现它不会出现发热的情况,这也是因它的主要的发生热的和消耗电的地方是在LED或者是背着光的灯管。同传统的电子扫描的显示器相比的话，在实现同等功能的情况下，液晶显示器的体积相对而言要小了将近2/3，且CRT显示器,由于显像的技术难免于不产生较高的温度的情况.L

28、CD的对人的辐射很低，所以对人的健康有很大的好处，并不是说完全没有辐射，只是相对于CRT显示器来说，辐射很低。而且LCD的画面是柔和也不伤害人体的眼睛的，和CRT技术是不一样的.图 9 LCD16021602的16脚接口图第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚:用于调节显示器的对比度。第4脚：数据和指令寄存器的选择端，在此引脚检测到高电平的时候，液晶显示器能够选择内部的数据寄存器，而在其检测到低电平的时候，液晶显示器会选择内部的指令寄存器。第5脚：液晶数据读写控制线,此引脚在高电平器件会读取单片机的数据,而在低电平期间，其会将单片机送过来的数据写到显示器内部去。在第5脚和第4

29、脚都为低电平的时候，液晶显示器就能够显示地址或者单片机能够给液晶显示器写入指令。在第4引脚为低电平，而第5引脚为高电平的时候，液晶就给单片机一个忙信号。在第4引脚为高电平而5引脚为低电平的时候，单片机就能为液晶显示器写入显示数。第6脚:使能引脚，液晶显示器会进行命令的执行是在此引脚在高电平向低电平跳变的过程中。第714脚:并行的数据传输端口.第1516脚：背灯的电源或者空的脚。第15脚：背光的正极。第16引脚:背光灯的负极引脚。4软件设计4.1软件主流程图初始化显示步数预采样自适应阈判断阈值是否有效Y计数Count50NY继续计数显示输出步结束图 10 软件主程序流程4。2计步器算法的实现不管

30、我们是在步行还是跑步的过程中，都会有一些可以描述的参数.于是当我们分析在运动过程中的特征的时候，我们挑选了相关的参数是加速度，用它来进行研究。指标疑似剽窃文字表述1.5mA，达到了少的功耗。 关键词：计步器加速度传感器 ADXL345 低功耗 1。2.1选题的目的 随着科学技术和文化的不断发展,健康在人们物质生活和精神生活中变的越来越重要。人们开始关注身体的健康,3.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,4.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

31、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5。2。2传感器的选择 方案一：选择机械式振动传感器 振动的传感器是机械式的,机械式的内部有一个平衡的锤，每次当传感器出现振动的时候，就会打破了其中的平衡，所以这样就会造成6.控制的单元中,以便能够获得运动的人的自己的运动的信息。机械式的振动的传感器的原理是简单的明了的、价格低的和精度低的，适用于振动的幅度大的场合。 方案二:选择加速度传感器 三轴的加速度的传感有三种,其分别7.模拟量，通过这个计步的算法的分析获得了运动的信息。三轴的加速度的传感器具有反应的速度很快、通讯的协议简单又可靠、精度很高等特点，广泛的使用在数码的产品、航天的设备、汽车等领域。 方案三：选择压力传感器 压力传感器是将压力的变化转化为电压的变化。8。2。3 MCU微处理器的选择 方案一：采用8位的微控制器 8051的微控制器是8位的微控制器中的最为突出的.8051的微控制器是一种的较为简单的微控制器，它9.转换后，紧接着输