基于單片機的計步器設計及實現(xiàn)

-.z基于單片機的計步器設計及實現(xiàn)摘要:計步器是一種頗受歡送的日常鍛煉進度監(jiān)控器，可以鼓勵人們挑戰(zhàn)自己，增強體質，幫助瘦身。早期設計利用加重的機械開關檢測步伐，并帶有一個簡單的計數(shù)器?；蝿舆@些裝置時，可以聽到有一個金屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動敲擊擋塊。計步器功能可以根據(jù)計算人的運動情況來分析人體的**狀況。而人的運動情況可以通過很多特性來進展分析。與傳統(tǒng)的機械式傳感器不同，AD*L345是電容式三軸傳感器，由它捕獲人體運動時加速度信號，更加準確。信號通過低通濾波器濾波，由單片機置A／D轉換器對信號進展采樣、A／D轉換。軟件采用自適應算法實現(xiàn)計步功能，減少誤計數(shù)，更加準確。單片機STC89C51控制液晶顯示計步狀態(tài)。整機工作電流只有1-1.5mA，實現(xiàn)超低功耗。關鍵字：計步器;加速度傳感器;AD*L345;低功耗Designandrealizationofpedometer-basedmicrocontrollersAbstract：Pedometerisapopulardailye*erciseprogressmonitor,canmotivatepeopletochallengethemselves,enhancephysicalfitness,tohelploseweight.Earlydesignsusedaweightedmechanicalswitchdetectsthepace,andwithasimplecounter.Whenshakingthedevice,youcanhearametalballtoslidebackandforth,leftandright,orapendulumswingingpercussionstopper.Pedometerfunctioncancalculatethemovementofpeopletoanalyzethesituationofhumanhealth.Andthemovementofpeoplecanbeanalyzedbymanyfeatures.Withthetraditionalmechanicalsensorsdiffer,AD*L345three-a*issensorisacapacitiveaccelerationsignalbyitshumanmotioncapture,andmoreaccurate.Signalthroughalowpassfilter,themicrocontrollerbuilt-inA/Dconverterforsignalsampling,A/Dconversion.Softwareusesanadaptivealgorithmpedometerfunction,reduceerrorcountismoreaccurate.STC89C51SCMcontrolLCDpedometerstate.Machineoperatingcurrentofonly1-1.5mA,ultra-lowpowerconsumption.KeyWords:pedometer;Accelerationsensor;AD*L345;lowpowerconsumption-.z目錄1緒論⑷可直接使用串口下載；3.2計步器傳感器采集模塊AD*L345的部功能構造如圖2所示，*、Y、Z三個相互正交的的方向上的加速度由G-Cell傳感器感知，經(jīng)過容壓變換器、增益放大、濾波器和溫度補償后以電壓信號輸出。圖2AD*L345部構造功能框圖所謂的G-Cell傳感器是由半導體材料(多晶硅)經(jīng)半導體工藝加工得到，其構造可簡化為三塊電容極板，如圖3。兩端的極板圈定，中間的極板在加速度的作用下，偏離無加速度的位置，這樣它到兩端極板的距離發(fā)生變化，造成電容值的變化．這個變化值經(jīng)容壓變換、增益放大，濾波等后表達在最后的電壓輸出值上，從而完成對加速度的測量。圖3G-Cell傳感器的物理模型AD*L345的三個相互正交的測量方向如圖4，固定在人體上后，這三個方向上的數(shù)據(jù)意義也就隨之確定了。圖4AD*L345的三測量軸向引腳配置(頂視圖)：圖5引腳功能圖AD*L345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計，分辨率高(13位)，測量圍達±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口。AD*L345非常適合移動設備應用。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或沖擊導致的動態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。如圖10所示，為傳感器底座，接口電路連接：121234P111234P120.1uFC7*outYoutZoutVCC1357911246101281314AD*L345SDOSDASCLVDDGNDGNDRESERESEINT2GNDNCVSCSINT1*outZoutS1Yout此模塊電路主要功能就用于做AD*L345加速度傳感器的一個轉接口，而且利用AD*L345該加速度傳感器產(chǎn)生相應的變化值。相當于整個系統(tǒng)的信號產(chǎn)生模塊。3.3顯示模塊液晶顯示器(LCD)為平面超薄的顯示設備，液晶顯示器功耗很低，適用于使用電池的電子設備.它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面配合背部燈管構成畫面。LCD特點：機身薄，節(jié)省空間。與比擬笨重的CRT顯示器相比，液晶顯示器只要前者三分之一的空間。省電，不產(chǎn)生高溫。它屬于低耗電產(chǎn)品，可以做到完全不發(fā)熱(主要耗電和發(fā)熱局部存在于背光燈管或LED)，而CRT顯示器，因顯像技術不可防止產(chǎn)生高溫。低輻射，益**。液晶顯示器的輻射遠低于CRT顯示器〔僅僅是低，并不是完全沒有輻射，電子產(chǎn)品多多少少都有輻射〕。畫面柔和不傷眼，不同于CRT技術，液晶顯示器畫面不會閃爍，可以減少顯示器對眼睛的傷害，眼睛不容易疲勞。圖7LCD16021602采用標準的16腳接口第1腳：GND為電源地第2腳：VCC接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器比照度調整端，接正電源時比照度最弱，接地電源時比照度最高〔比照度過高時會產(chǎn)生“鬼影〞，使用時可以通過一個10K的電位器調整比照度〕。第4腳：RS為存放器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平0時選擇指令存放器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進展讀操作，低電平(0)時進展寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平〔1〕時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電源。第15腳背光正極.第16腳背光負極。特性3.3V或5V工作電壓，比照度可調4軟件設計4.1軟件流程圖解釋〔1〕主程序流程初始化初始化預采樣預采樣顯示步數(shù)顯示步數(shù)自適應閥值自適應閥值開場按鍵按下開場按鍵按下判斷閥值是否有效算法計算判斷閥值是否有效算法計算Y顯示輸出步數(shù)Y顯示輸出步數(shù)計數(shù)計數(shù)YCount%50==0清零按鍵按下YCount%50==0清零按鍵按下NN完畢完畢繼續(xù)計數(shù)繼續(xù)計數(shù)圖8流程圖〔2〕4.2計步器算法的實現(xiàn)在可用于分析跑步或步行的特征當中，我們選擇“加速度〞作為相關參數(shù)。個體〔及其相關軸〕的運動包括三個分量，分別是前向〔“滾動〞〕、豎向〔“偏航〞〕和側向〔“俯仰〞〕，如圖9所示。AD*L345檢測其三個軸—*、y和z上的加速度。計步器處于未知方向，因此測量精度不應嚴重依賴于運動軸與加速度計測量軸之間的關系。圖9跑步時的三個分量讓我們考慮步行的特性。一個步伐，我們將其定義為單位步行周期，步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間有一定的關系。要實現(xiàn)檢測步數(shù)首先要對人走路的姿態(tài)有一定了解。行走時,腳、腿、腰部,手臂都在運動,它們的運動都會產(chǎn)生相應的加速度,并且會在*點有一個峰值。從腳的加速度來檢測步數(shù)是最準確的,但是考慮到攜帶的方便,我們選擇利用腰部的運動來檢測步數(shù)。圖10顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側向加速度相對應的*、y和z軸測量結果的典型圖樣。無論如何穿戴計步器，總有至少一個軸具有相對較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測和針對所有三個軸上的加速度的動態(tài)閾值決策算法對于檢測單位步行或跑步周期至關重要。圖10從一名跑步者測得的*、y和z軸加速度的典型圖樣〔1〕步伐參數(shù)數(shù)字濾波器：首先，為使信號波形變得平滑，需要一個數(shù)字濾波器。可以使用四個存放器和一個求和單元，如圖11所示。當然，可以使用更多存放器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應時間會變慢。圖11數(shù)字濾波器圖12顯示了來自一名步行者所戴計步器的最活潑軸的濾波數(shù)據(jù)。對于跑步者，峰峰值會更高。圖12最活潑軸的濾波數(shù)據(jù)動態(tài)閾值和動態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新三軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值(Ma*+Min)/2稱為“動態(tài)閾值〞。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動態(tài)的。這種選擇具有自適應性，并且足夠快。除動態(tài)閾值外，還利用動態(tài)精度來執(zhí)行進一步濾波。步伐邁出的條件定義為：當加速度曲線跨過動態(tài)閾值下方時，加速度曲線的斜率為負值(sample_new<sample_old)。峰值檢測：步伐計數(shù)器根據(jù)*、y、z三軸中加速度變化最大的一個軸計算步數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計數(shù)器將忽略。步伐計數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時顯得太敏感。當計步器因為步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常緩慢地振動時，步伐計數(shù)器也會認為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無效振動。利用“時間窗口〞和“計數(shù)規(guī)則〞可以解決這個問題?！皶r間窗口〞用于排除無效振動。假設人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口[0.2s-2.0s]之，時間間隔超出該時間窗口的所有步伐都應被排除。AD*L345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實現(xiàn)時間窗口。表5.1列出了TA=25°C、VS=2.5V、VDDI/O=1.8V時的可配置數(shù)據(jù)速率〔以及功耗〕。表3數(shù)據(jù)速率和功耗輸出數(shù)據(jù)速率(Hz)帶寬(Hz)速率代碼IDD(μA)32001600111114616008001110100800400110114540020011001452001001011145100501010145502510011002512.510006512.56.250111556.253.125011040此算法使用50Hz數(shù)據(jù)速率(20ms)。采用interval的存放器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間，則說明兩步之間的時間在有效窗口之；否則，時間間隔在時間窗口之外，步伐無效?！坝嫈?shù)規(guī)則〞用于確定步伐是否是一個節(jié)奏模式的一局部。步伐計數(shù)器有兩個工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認規(guī)則。步伐計數(shù)器以搜索規(guī)則模式開場工作。假設經(jīng)過四個連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在*種規(guī)則(inregulation)，則步伐計數(shù)器就會刷新和顯示結果，并進入“確認規(guī)則〞工作模式。在這種模式下工作時，每經(jīng)過一個有效步伐，步伐計數(shù)器就會更新一次。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個無效步伐，步伐計數(shù)器就會返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個連續(xù)有效步伐。5測試及分析5.1系統(tǒng)調試及功能Ad*l34傳感器1602顯示步數(shù)和總步數(shù)單片機復位總步數(shù)復位步數(shù)復位Ad*l34傳感器1602顯示步數(shù)和總步數(shù)單片機復位總步數(shù)復位步數(shù)復位圖13系統(tǒng)實物圖設計的實物用于記錄單位時間的人行走的步數(shù)，以及一段時間的總步數(shù)，以到達催促人們鍛煉的目的。5.2系統(tǒng)的測試如表2為在實際步數(shù)中顯示步數(shù)以及總步數(shù)不復位情況下記錄。下列圖表3為在實際步數(shù)中顯示步數(shù)每5步復位一次總步數(shù)不復位情況下記錄。由圖可得到實物對步數(shù)統(tǒng)計準確率在90%以上。表4實際步數(shù)51015202530顯示步數(shù)5914182227總步數(shù)5914182227表5實際步數(shù)51015202530顯示步數(shù)454555總步數(shù)49131823286總結在本次計步器的制作過程中，體會到不少。而在解決問題的時候也是對自身的專業(yè)素質的一種提高。在焊接過程中元件必須清潔和鍍錫焊接前用小刀掛掉氧化膜，然后再進展焊接時應使用電騾鐵的溫度高于焊錫的溫度以烙鐵頭接觸松香剛剛冒煙為好。焊接點的上錫數(shù)量焊接點上的焊錫數(shù)量不能太少，焊少了焊接不結實，機械強度也太差。同時讓我也更加的了解了AD*L345是一款出色的加速度計，非常適合計步器應用。它具有小巧纖薄的特點，采用3mm×5mm×0.95mm塑封封裝，利用它開發(fā)的計步器已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費電子設備中。它在測量模式下的功耗僅40μA，待機模式下為0.1μA，堪稱電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極減輕了主處理器的負荷，使功耗顯著降低。此外，可以利用可選的輸出數(shù)據(jù)速率進展定時，從而取代處理器中的定時器。13位分辨率可以檢測非常小的峰峰值變化，為開發(fā)高精度計步器創(chuàng)造了條件。最后，它具有三軸輸出功能，結合上述算法，用戶可以將計步器戴在身上幾乎任何部位。[參考文獻][1]赟周宇*寅林.加速度傳感器在步態(tài)信號采集系統(tǒng)中的應用[J].信息化研究,2021，35(9).[2]錢朋安，運建，唐毅等.加速度計在人體運動檢測中的應用[J].計算機技術與應用進展，2004:632—636.[3]義華.基于加速度傳感器的定位系統(tǒng)研究[D].：大學，2006.[4]孟維國．三軸加速度計AD*L345的特點及其應用[J]．電子設計工程，2007(2)：47-50．[5]賈朱紅，曉冬．基于I2C總線的單主多從單片機之問的通信[J]．微計算機信息，2021，25(3-2)：101．[6]高桔祥．模擬電子線路設計[M]．：電子工業(yè)，2007．[7]爾紹．電子控制電路實例[M]．：電子工業(yè)，2004．[8]王彥朋．大學生電子設計與應用[M]．：中國電力，2007．[9]屈翠香，剛.具有數(shù)字信號輸出的三軸加速度傳感器AD*L345[J].國外電子元器件，1999〔8〕：8—12.[10]勃，何曉平，偉.微機械靜電伺服加速度計[J].中國慣性技術學報，2000,8(1):63—66.[11]宗林，圣怡，吳學忠.新型三軸加速度計[J].傳感器技術學報，2004，17〔3〕：488—492.附錄1圖17系統(tǒng)設計原理圖附錄2*include<REG52.H> *include"eeprom.h"*include<basic.h>*include<math.h>*include<stdio.h> *include<INTRINS.H>*defineucharunsignedchar *defineuintunsignedintsbit SCL=P1^6;sbit SDA=P1^7;*define SlaveAddress0*A6 sbit beep=P2^0;*defineJudgeP_M0*8000*defineLeft_cmp0*006e*defineRight_cmp0*006e*defineGo_cmp0*006e*defineBack_cmp0*006eByteBUF[8];uchara=0,b=0;ByteSbuf[8];WordWbuf[2]; intdis_data,num=0;voiddelay(unsignedintk);voidInit_AD*L345(void);voidWriteDataLCM(BytedataW);voidWritemandLCM(ByteCMD,ByteAttribc);voidDisplayOneChar(Byte*,ByteY,ByteDData);voidconversion(Wordtemp_data);voidSingle_Write_AD*L345(ByteREG_Address,ByteREG_data);ByteSingle_Read_AD*L345(ByteREG_Address);voidMultiple_Read_AD*L345();voidDelay5us();voidDelay5ms();voidDelay20ms();voidAD*L345_Start();voidAD*L345_Stop();voidAD*L345_SendACK(bitack);bitAD*L345_RecvACK();voidAD*L345_SendByte(Bytedat);ByteAD*L345_RecvByte();voidAD*L345_ReadPage();voidAD*L345_WritePage();voidData_Convert();voidData_Process();/***********1602液晶顯示局部子程序****************/sbitrs=P1^0;sbiten=P1^1;ucharcodetable[]={"bushu:"};ucharcodetable1[]={"zongbushu:"};intzongbushu=0,bs=0;sbitk1=P3^1;sbitk2=P3^2;sbitk3=P3^3;voiddelay(uint*){uinti,j;for(i=*;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}voidwrite_(uchar){ rs=0; P0=; delay(5); en=1; delay(5); en=0;}voidwrite_date(uchardate){ rs=1; P0=date; delay(5); en=1; delay(5); en=0;}voidinit1602() { write_(0*38); write_(0*0c); write_(0*06); write_(0*01); write_(0*80); for(num=0;num<16;num++) { write_date(table[num]); } write_(0*80+0*40); for(num=0;num<16;num++) { write_date(table1[num]); }}voidbushu_display(uchardate){ ucharqian,bai,shi,ge; qian=date/1000%10; bai=date/100%10; shi=date/10%10; ge=date%10; write_(0*80+6); write_date(0*30+qian); write_date(0*30+bai); write_date(0*30+shi); write_date(0*30+ge); }voidzongbushu_display(uchardate){ ucharwan,qian,bai,shi,ge; wan=date/10000%10; qian=date/1000%10; bai=date/100%10; shi=date/10%10; ge=date%10; SectorErase(0*2000); byte_write(0*2000,zongbushu); write_(0*80+0*40+11); write_date(0*30+wan); write_date(0*30+qian); write_date(0*30+bai); write_date(0*30+shi); write_date(0*30+ge);}/****按鍵掃描******/voidkeyscan(){ if(k1==0) { delay(10); if(k1==0) { while(!k1); bs=0; } } if(k2==0) { delay(10); if(k2==0) { while(!k2); zongbushu=0; byte_write(0*2000,zongbushu); write_(0*80+0*40+11); } } if(k3==0) { delay(10); if(k3==0) { while(!k3); bs=0; 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_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}/**************************************延時5毫秒(STC90C52RC12M)**************************************/voidDelay5ms(){Wordn=560;while(n--);}/**************************************起始信號**************************************/voidAD*L345_Start(){SDA=1;SCL=1;Delay5us();SDA=0;Delay5us();SCL=0;}/**************************************停頓信號**************************************/voidAD*L345_Stop(){SDA=0;SCL=1;Delay5us();SDA=1;Delay5us();}/**************************************發(fā)送應答信號入口參數(shù):ack(0:ACK1:NAK)**************************************/voidAD*L345_SendACK(bitack){SDA=ack;SCL=1;Delay5us();SCL=0;Delay5us();}/**************************************接收應答信號**************************************/bitAD*L345_RecvACK(){SCL=1;Delay5us();CY=SDA;SCL=0;Delay5us();returnCY;}/**************************************向IIC總線發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)**************************************/voidAD*L345_SendByte(Bytedat){Bytei;for(i=0;i<8;i++){dat<<=1;SDA=CY;SCL=1;Delay5us();SCL=0;Delay5us();}AD*L345_RecvACK();}//從IIC總線接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)ByteAD*L345_RecvByte(){Bytei;Bytedat=0;SDA=1;for(i=0;i<8;i++){dat<<=1;SCL=1;Delay5us();dat|=SDA;SCL=0;Delay5us();}returndat;}//******單字節(jié)寫入*******************************************voidSingle_Write_AD*L345(ByteREG_Address,ByteREG_data){AD*L345_Start();AD*L345_SendByte(SlaveAddress);AD*L345_SendByte(REG_Address);AD*L345_SendByte(REG_data);AD*L345_Stop();}//********單字節(jié)讀取*****************************************ByteSingle_Read_AD*L345(ByteREG_Address){ByteREG_data;AD*L345_Start();AD*L345_SendByte(SlaveAddress);AD*L345_SendByte(REG_Address);AD*L345_Start();AD*L345_SendByte(SlaveAddress+1);REG_data=AD*L345_RecvByte(); AD*L345_SendACK(1); AD*L345_Stop();returnREG_data;}//連續(xù)讀出AD*L345部加速度數(shù)據(jù)，地址圍0*32~0*37voidMul