计步器设计

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1、由京信供Z兔之岑滨江学院本科生毕业论文（设计）题目基于51单片机的简易计步器设计学生姓名彭伟东学号系 别自动控制系专业电气工程与自动化指导教师曹永娟二0六年五月三十日摘要IAbstractII1、引言11.1光电计步器11.2基于加速度传感器的计步器22、ADXL3XX系列传感器的简介以及设计方案的提出32.1 ADXL335, ADXL345和ADXL346三轴加速度计的区别32.1.1 ADXL335的简介、特点及功能框图32.1.2 ADXL346的简介、特点及功能框图52.1.3 ADXL345的简介、特点及功能框图62.2系统总体设计方案82.2.1 ADXL345中断和寄存器功能分

2、析82.2.2基于51单片机计步器总体框架的构建93、系统硬件设计各模块电路103.1传感器电路连接模块103.2微处理器模块103.3显示模块133.4电源模块144、软件设计154.1软件总体设计154.2算法的实现155、调试及性能分析165.1硬件与软件的协同调试165.2性能分析176、结论18致谢20参考文献21附录22附录源程序22基于51单片机的简易计步器设计彭伟东南京信息工程大学滨江学院自动控制系，江苏南京210044摘要：计步器作为在现代社会中日常锻炼的一种监视器，不但能激发人们挑战自己潜力，还能保持身体健 康，增强身体免疫力。它还可以依据人一天的运动信息来推算出人身体的健

3、康信息。本文设计一款简易计 步器，其主要是由作为微处理器的51单片机STC89C52模块，显示模块，加速度传感器ADXL345模块， 传感器电路模块等几个部分组成，运用人在运动状态下加速度信息来判断步伐的计步器，其系统设计简单， 结构简单，运用小体积，低能耗，高精度的ADXL345（加速度传感器），芯片内部集成了人/D转换器，可以 直接将采集来的模拟信号转换为数字信息，将收集的加速度信息再运用合理的算法就可实现计算出人行走 的步伐。关键字：计步器；ADXL345；传感器电路；STC89C52Simple pedometer design based on 51 MCUPeng WeidongD

4、epartment of Automation and Control, NUIST, Nanjing 210044, ChinaAbstract:Pedometer is a popular daily exercise monitor,which can inspire peoples potential to challenge himself, enhance physique and, help thin body. In addition pedometer can analyze the healthy condition of body according to the cal

5、culated peoples movement situation. This paper designs a pedometer which uses of peoples movement to detect changes generated by the acceleration of steps.The pedometer utilization of implementation scheme pedometer, small size, low power consumption, high ADXL345 three axis acceleration sensor, chi

6、p can put the data acquisition to internal data processing for the digital data acquisition to acceleration data, after appropriate algorithm can achieve plan step function. This paper introduces the design of a paragraph of the pedometer ADXL345 based on acceleration sensor. Introduces the software

7、 algorithm real pedometer while the SPI has integrated chip FC interface, and I can be conveniently data transmission to the main control chip. The system is simple in design, realization convenient.KEY WORDS： circuit； ADXL345 ；sensor pedometer； STC89C521、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

8、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

9、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

10、、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

11、，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 m止业 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

12、。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。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

13、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

14、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

15、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。2.1 ADXL335, 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

16、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

17、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。2.1.1 ADXL335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3 g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：350

18、 MA（典型值）；（4）单电源供电：1.8 V to 3.6 V；(5) 抗冲击能力:10,000 g；(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 0.51600 Hz；(10) Y 轴带宽 0.51600 Hz；(11) Z 轴带宽 0.5550 Hz；ADXL335功能框图如图2.1(a)所示：(a) ADXL335功能框图 0 n 116151413ADXL335匚 2TOP VIEW (Not to Scale)11匚 3匚 4+x9匚NCSTCOMNCXdUNCYpUTNC78n n 门 m（b） A

19、DXL335 引脚图图2.1 ADXL335功能及结构2.1.2 ADXL346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

20、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：1.72.75 V ；ADXL346功能框图和引脚图如图2.2所示：(a) ADXL346功能框图NG = NO INTERNALCONNECTION（b） ADXL346 引脚图图2.2 ADXL346功能框图和引脚图2.1.3 ADXL345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

21、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；（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) 通信方式为SPI或I2C；(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

22、2.3所示:功能椎图V宫姑口 mGND福I心GUDRESERVEDGMDGNDUgSCL&CLICCS(a) ADXL345功能框图ADJ 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Inti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Inti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

23、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。FIRST TAPSECOND FAFTHRE-SrtDLD /ITHRE5HIriME LIMIT FDF?TIME WINDOW FDR _ 3ECDND rAPNTVLjLATENCY TIMEgTEKTSINGLE TAP INTERRUPTDOUaLE TAPINTERRUPT图 2.4 Single_Tap 中断和 Double _T

24、ap 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）Watermar

25、k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312.2.2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

26、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。ADXL345皆出器三轴加速度数据采集ADXL345 传感 器三轴加速 .度数捱乐集，,NADXL345 传感 器三轴加速 .度抄捱乐冬KADXL345 椅感器三轴加速度数据采集1V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, 8，1

27、6g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，兼容标准的尸。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。CtND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

28、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：5.5V3.3V 工作频率

29、范围：040MHz 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 Power Down模式可由外部低电平中断触发 工作温度范围：-40+85C（工业级） 看门狗定时器 4KB EEPROM 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0.1A 空闲模式：典型功耗2mA 正常工作模式：典

30、型功耗4Ma7mA 掉电模式可由外部中断唤醒STC89C52RC引脚原理图如下图：TJ/i 1.1. r、f，1 r i. 2 j i. j I i. 4 Pl. Fi Hl. U Pl, R.T RXD/P3. a TXD /P3. 1 TO一 TQ/P 3.4 T./!33. !. I ?J/r .:C ：*：. L 心图 3.2.1 STC89C52RC 引脚图Pi. EPi. l/yT I fj.J J. J一FL ”1 W .PD. 5/AD5PD. 6/AD6PT. .EL UAF.：EJ】L. W上 i./ALkI. !./AL3 P = . 4/A-i 4.宇妃1 ；.一hl

31、i f；. 1/A9 F ?. r E：1234567891011121314151617181920P1.0VCCP1.1(AD0)P0.0P1.2(AD1)P0.1P1.3(AD2)P0.2P1.4(AD3)P0.3P1.5(AD4)P0.4P1.6(AD5)P0.5P1.7(AD6)P0.6RST(AD7)P0.7P3.0(RXD)EA/VPPP3.1(TXD)ALE/PROGP3.2(INT0)PSENP3.3(INT1)(A15)P2.7P3.4(T0)(A14)P2.6P3.5(T1)(A13)P2.5P3.6(WR)(A12)P2.4P3.7(RD)(A11)P2.3XTAL2(

32、A10)P2.2XTAL1(A9)P2.1GND(A8)P2.0U3.89C51/C52VCC40 丁393837363534333231J?12345678930CON9292827262524232221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。一个机器周期又包括12个时 钟周期。因为被次设计中使用的12MHz的内部晶振，

33、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

34、）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，

35、16脚背光VDD管脚。LCD ILCD 1602UCJA/UPO 富口 9CQQ 寸 雷Q 20 SC-QA UM图3.3 LCD1602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。1 2和4 5是常开触点，2 3和5 6是常闭触点，当开关按下1 2和4 5 导通，2 3和5 6断开，当开关弹起1 2和4 5断开，2 3和5 6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。GND图3.4电源电路3.5整体硬件图整体硬件图如下图所以:Hinted Killai|HiitttSI !图3.

36、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算法的实现在分析跑步或步

37、行状态中，选择了“加速度”作为测量参量。人体在运动时加速度可以分解 为三个分量，分别是前后，左右，上下三个轴，而ADXL345作为三轴加速度传感器，对于加 速度的检测与测量也是在X,Y,Z三个轴方向上。要了解计步器的原理，我们必须对人行走的姿态有一定了解。在我们行走时身体各个部位 都在运动，它们的运动都会在各自的方向上产生对应的加速度，并且会在某时刻加速度值达到最 大也就是峰值。如果要从准确度上来看，人体的脚在运动过程中是检测实时步数最理想的部位， 但是因为在运动时，人不可能光着脚，而考虑到人穿戴鞋袜以及计步器本身的放置问题等实际 因素之后，本次设计最终还是选择了人运动时腰部的实验数据作为采集

38、目标来完成计步器的计 数。步伐迈出的条件定义为：若加速度大小低于动态阈值的时候，其曲线的斜率就为负值 （sample_new sample_old）。峰值检测：步伐计数器是利用三轴中数值变化最多的一个数据来进行计算步数。但如果这 个加速度变化非常小时，那么就不判断为一步。（2）距离参数依据上面算法得倒步伐数据后，再通过公式1就可以得到距离参数距离怎）=步数（n）x每步距离（/）（1）每一步的实际距离还受使用者实际身高和行走速度影响。若使用者的身材较高或行走速度 较快，那么每一步就会相当于正常时长一些。因此，本次设计考虑到次因素后，决定采用将两 秒内计步器测得步数作为一步的长度，通过每两秒更新一

39、次数据，来通过对跨步长度的计数来 达到对步数的计步。（3）速度参数公式2：速度（km/h）=距离/时间（2）在2秒内的跨步长度都可依据上面的算法计算出来，所以就使用下面的公式得到速度参数。（4）卡路里参数虽然对于卡路里的消耗速率计算不精确。但是也能反映出消耗能量的一些主要因素比 包括运动水平、健身强度、新陈代谢强度。尽管如此，本次设计为了设计的完整性，采用估算 的方式进行估计。跑步者的卡路里消耗与速度关系如公式3。卡路里（C/kg/ h）= 1.25 x 跑步速度（km/h）（3）若将km/h换算为m/s就可得到下面的公式4。卡路里（C/kg/h） = 1.25 x 速度（m/v） x 360

40、0/1000= 4.5 x 速度（m/y）（4）5调试及性能分析5.1硬件与软件的协同调试硬件焊接实物如图5.1所示。图5.1硬件焊接图在KEIL5中，已经编写好了本次设计所需要的程序代码，将程序下载到单片机中，开始进 行实验，硬软件协调测试。开始实验之初，因为电路本来就是设计在万用板上的，所以只能手 拿着水平贴着靠在腰旁边，然后行走。行走的过程中发现，LCD显示屏上示数良好，并且随着 走路步数的变化而变化，与此同时，在对步数置零按键的测试中，按下按键，显示屏上步数归 零，所以置零键也正常。实物如图5.2，因此证明硬件设计良好，焊接也非常成功，可以达到本 次设计最初的实验目标。图5.2测试并分

41、析性能5.2性能分析本次设计的计步器进行了 4次实际实验，实际测试数据如表5.1所示:表5.1测试数据表测试次数测试步数实际步数误差步数误差率第一次192015%第二次374037.5%第三次475036%第四次9210088%由上表可以看出，走的步数越多，虽然其误差步数和误差率在逐渐的上升，但是总体上都 能接受。在人行走的过程中，重心的上下移动，使得计步器内部的抖动传感器立马采集后，并 且很快就在led显示屏上显示，信息变动很灵敏，基本做到了同步信息显示，由于使用万能板 焊接，不能将传感器固定在腰或手腕上，这也是导致了误差增大重要因素。不过总的效果和精 度令人满意，达到了本次设计预期的效果。

42、6结论ADXL345加速度计是一款性能非常杰出的传感器，在应用上也非常适合用在计步器上。因 为其体积小，灵敏度好，故在越来越多的在消费领域和科研领域得以应用。本文针对简易计步 器设计了一整套设计方法，并通过实验的检验，验证了此设计的可靠性。实验测试表明，该款 计步器的平均计步精确度在94%左右，并且与其他计步器相比，本计步器的计步准确度高、设 计简单，成本较低，完全可以有我们自己设计使用。本文完成的主要工作如下：（1）对系统的总体方案进行设计，对硬件进行选型，并且列出来同款型号的三种不同加速 度传感器进行性能比较，进而从中选择最适合的传感器，应用在本设计中。（2）设计系统的硬件框架模块，并且对

43、各模块进行了较为详细的分析与解释，在完成设计 目标的同时，简化设计，降低硬件的复杂程度，减少成本。（3）对系统软件进行总体设计。从实验的目标出发，在完成目标的同时，降低程序算法的 复杂程度，提高系统的灵敏度和精确程度。(4) 对设计出来的实物进行多次试验。通过对试验结果的记录和分析，充分充分证明了本 设计的可行性以及硬件软件设计的可靠性。平均计步精度达到94%，满足设计要求。当把加速度传感器应用在万用板上时，因为无法真正的实现与人体完美解除以实现准确的 测量计数，因为试验时是用手贴在腰间，受到行走时人体晃动以及手腕摆动的干扰，对实时的 运动加速度的检测产生干扰，这些随机干扰频率不定、变化多端，

44、使得本设计步数检测的准确 度无法进一步提高。致谢在论文的写作过程中，我遇到很多难题也受到了不少启发，在这里，我要好好感谢我身边 的人，我的老师以及我的舍友，他们在我毕设里在电路设计在软件编程中都给了很多建议和帮 助，占用了他们很多时间和精力，再次请允许我向他们表示衷心的感谢！在这次毕业设计的过 程中，由于所学知识的局限以及平时也没有更多的动手自己做一些东西，导致我在制作设计过 程中遇到了很多问题，不过有幸在老师和同学的帮助下都克服，在整个过程中我也学到了很多 单纯看书而学不到的知识。从一开始的定题，查找资料，设计步骤，到后来的硬件制作再到软件程序的编写，从论文 的选题开始，我一步一步的收集相关

45、的信息资料，从开题，到后来的初稿再到最后的终稿，我 经过了反复机械式的修改，一步步修改完善，我一次次在夜里感到迷茫感到无所是从，手足无 措，我的心情低到了谷底。现在，我终于修改完成，完成了终稿，内心激动万分，之前的彷徨， 无奈之情烟消云散，望着一篇我自己完成的论文，内心的成就感油然而生。我在我自己舞台上 完成了我大学最后的一次完美的谢幕表演。除此之外，在整个毕业设计的过程中，我要感谢我 的导师和我的同学，是他们在我遇到困难时无私的帮助我克服困难，是他们一路陪着我走来， 鼓励我支持我，我真的非常感谢。他为人随和热情，治学严谨细心。他为人随和热情，治学严 谨细心。是老师耐心的指导让我完成了这次设计

46、，真的非常感谢老师。我也非常感谢我的舍友 们。他们在忙于自己的论文的同时，也抽出时间帮我想了很多办法提供很多好点子，对我提供 了很多想法让我的论文变得更流畅更完美。我也非常感谢我的舍友们。他们在忙于自己的论文的同时，也抽出时间帮我想了很多办法 提供很多好点子，对我提供了很多想法让我的论文变得更流畅更完美。真心感谢他们。参考文献1 曹赟周宇徐寅林.加速度传感器在步态信号采集系统中的应用J.信息化研究,2013, 35(9)2 钱朋安，葛运建，唐毅等.加速度计在人体运动检测中的应用J.计算机技术与应用进展，2014:632-636.3 陈义华.基于加速度传感器的定位系统研究D.福建：厦门大学，20

47、11.4 孟维国.三轴加速度计ADXL345的特点及其应用J .电子设计工程，2007(2)： 47-50.5 高吉祥.模拟电子线路设计M.北京：北京电子工业出版社，2012.6 王彦朋.大学生电子设计与应用M.北京：中国电力出版社，2007.7 陈尔绍.电子控制电路实例M.北京：电子工业出版社，2004.8 刘宗林，李圣怡，吴学忠.新型三轴加速度计J.传感器技术学报，2004，17 (3)： 488492.9 彭勃，何晓平，苏伟.微机械静电伺服加速度计J.中国惯性技术学报，2009,8(1):6366.10 周华，沈连官，尤辉，等.电容式微加速度计结构的建模与仿真J.光学精密工程，2010，

48、7 (4)： 5964.11 段晓敏，李杰，刘文怡，等.基于MEMS加速度计的数字倾角测量仪的设计J.电子设计工程，2009, 17(8)：71-72.12 李兴昌.科技论文的规范表达M.北京：清华大学出版社，2005.3450.13 张天石.自制计步器J.集成电路应用，2014. (03).14 长乐.电子计步器一让健身不再盲目J.中老年保健，2009，25(3-2)： 101.15 钱朋安，葛运建，唐毅等.加速度计在人体运动检测中的应用J.计算机技术与应用进展，2004期号刊 号：632636.16 Gracfa A. Moron C. Biaxial Magnetometer Senso

49、rJ. IEEE Trans. MagrL 2012， 38(5)： 3312一33117 Akahori A, Kishimoto Y, Oguri K. Estimate Activity for M-health using one Three-AxisAccelerometer. 2006. 318 IEEE-EMBS International Summer School on Medical Devices and Biosensors, 2006: 122-125.19 Liu C著.黄庆安译.微机电系统基础M.北京:机械工业出版社,2007.20 Ali S S M, Geor

50、ge B. A Portable Pedometer based on Inductive Proximity. 2012 International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems, 2012: 1858-1861.21 Ishida K, Huang T C, Honda K et al. Insole Pedometer with Piezoelectric Energy Harvester and Organic Circuits. IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2

51、013, 48(1): 255-264.22 Anonymous. Pediatrics; WSA Show 2011: GeoPalz Launches Two New Pedometers to Get Kids Moving. Telecommunications Business, 2011: 1239-1240.附录附录源程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DataPort P0 /LCD1602 数据端口sbit SCL=P1A5;sbit SDA=P1A4;

52、uchar code table_num=0123456789abcdefg”;sbit rs=P1A0；sbit rw=P1A1；sbit e =P1A2;sbit key1 = P1A6;sbit key2 = P1A7;#define SlaveAddress 0xA6定义器件在IIC总线中的从地址，根据ALT ADDRESS地址引脚不同修改long bushu,zong; 步数uchar BUF8;接收数据缓存区uchar ge,shi,bai,qian,wan;int dis_data;void Multiple_Read_ADXL345();/ 连续的读取内部寄存器数据#defin

53、e RdCommand 0x01 /定义 ISP 的操作命令#define PrgCommand 0x02#define EraseCommand 0x03#define Error 1#define Ok 0#define WaitTime 0x01 /定义 CPU 的等待时间sfr ISP_DATA=0xe2;sfr ISP_ADDRH=0xe3;sfr ISP_ADDRL=0xe4;sfr ISP_CMD=0xe5;sfr ISP_TRIG=0xe6;sfr ISP_CONTR=0xe7;uchar a_a;void ISP_IAP_enable(void)EA = 0;/*关中断 */

54、ISP_CONTR = ISP_CONTR & 0x18;/* 0001,1000 */ISP_CONTR = ISP_CONTR I WaitTime; /* 写入硬件延时 */ISP_CONTR = ISP_CONTR I 0x80;/* ISPEN=1 */void ISP_IAP_disable(void)ISP_CONTR = ISP_CONTR & 0x7f; /* ISPEN = 0 */ISP_TRIG = 0x00;EA =1;/*开中断*/* =公用的触发代码=*/void ISPgoon(void)ISP_IAP_enable();ISP_TRIG = 0x46;ISP_

55、TRIG = 0xb9;_nop_();/* =字节读=*/ unsigned char byte_read(unsigned int byte_addr)ISP_ADDRH = (unsigned char)(byte_addr 8);/* 地址赋值 */ISP_ADDRL = (unsigned char)(byte_addr & 0x00ff);ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8;/* 清除低 3 位 */ISP_CMD = ISP_CMD | RdCommand; /* 写入读命令 */ISPgoon();ISP_IAP_disable();EA = 1;return (

56、ISP_DATA);/* =扇区擦除=*/void SectorErase(unsigned int sector_addr)unsigned int iSectorAddr;iSectorAddr = (sector_addr & 0xfe00); /* 取扇区地址 */ISP_ADDRL = 0x00;ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8;/* 清空低 3 位 */ISP_CMD = ISP_CMD I EraseCommand; /* 擦除命令 3 */* =字节写 =*/EA = 0;SectorErase(byte_addr);ISP_ADDRL = (unsigned

57、char)(byte_addr & 0x00ff);ISP_CMD = ISP_CMD & 0xf8;/* 清低 3 位 */ISP_CMD = ISP_CMD I PrgCommand; /* 写命令 2 */ ISPgoon();ISP_IAP_disable();EA =1;/*把数据保存到单片机内部 eeprom 中*/void write_eeprom()/保存数据SectorErase(0x2000);byte_write(0x2000, bushu);byte_write(0x2001, bushu 8);byte_write(0x2002, bushu 16);byte_wri

58、te(0x2003, zong);byte_write(0x2004, zong 8);byte_write(0x2005, zong 16);byte_write(0x2055, a_a);/*把数据从单片机内部 eeprom 中读出来*/void read_eeprom() 读出保存数据bushu = byte_read(0x2002);bushu = 8;bushu |= byte_read(0x2001);bushu = 8;bushu |= byte_read(0x2000);zong = byte_read(0x2005);zong = 8;zong |= byte_read(0x2004);zong = 8;zong |= byte_read(0x2003);a_a = byte_read(0x2055);/*开机自检 eeprom 初始化*/void init_eeprom()read_eeprom();/读出保存数据 if(a_a != 14) bushu = 0;a_a = 14;write_eeprom();/保存数据3 “/*功能：延时1ms函数*输入:q*输出：无*