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基于加速度传感器ADXL345的计步器设计
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2023-06-15
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摘要:计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器,可以激励人们挑战自己,增强体质,帮助瘦身。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。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。而人的运动情况可以通过很多特性来进行分析。与传统的机械式传感器不同,ADXL345是电容式三轴传感器,由它捕获人体运动时加速度信号,更加准确。信号通过低通滤波器滤波,由单片机内置A/D转换器对信号进行采样、A/D转换。软件采用自适应算法实现计步功能,减少误计数,更加精确。单片机STC89C52控制液晶显示计步状态。整机工作电流只有1-1.5mA,实现超低功耗
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基于加速度传感器 ADXL345 的计步器设计
摘要:计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器,可以激励人们挑战自己,增强体质,
帮助瘦身。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。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。而人的运动情况可以通过很多特性来
进行分析。与传统的机械式传感器不同,ADXL345 是电容式三轴传感器,由它捕获人体
运动时加速度信号,更加准确。信号通过低通滤波器滤波,由单片机内置 A/D 转换器对信
号进行采样、A/D 转换。软件采用自适应算法实现计步功能,减少误计数,更加精确。单
片机 STC89C52 控制液晶显示计步状态。整机工作电流只有 1-1.5mA,实现超低功耗。
关键词:计步器;加速度传感器;ADXL345;低功耗
0 前言
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。
计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器,可以激励人们挑战自己,增强体质,
帮助瘦身。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
主要组成部分是振动传感器和电子计数器。步行的时候人的重心会上下移动。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,由电子计数器完成了主要的记
录与显示功能,其他的属于热量消耗,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。
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1 总体方案设计
1.1 设计要求
(1)掌握加速度传感器 ADXL345 的工作原理。
(2)掌握 LCD1602 的工作原理及编程方法。
(3)该系统能够有效的检测人体步行动作。
(4) 能够显示并且记录单位时间内的步数,一段时间内总步数,行走的距离以及消耗
的热量。
(5) 使用单片机技术处理数据。
1.2 单片机芯片的选择方案和论证
采用 AT89S51 芯片作为硬件核心,内部具有 4KB ROM 存储空间,能于 3V 的超低压
工作,而且与 MCS-51 系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备 ISP 在线
编程技术,所以在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入
程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
采用 STC89C52 芯片,STC89C52 是一种低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器,具有 8K
的可编程 Flash 存储器。同样具有 AT89S51 的功能,且具有在线编程可擦除技术,当对电
路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片
多次拔插,所以不会对芯片造成损坏,因此选择采用 STC89C52 作为主控制系统核心。
1.3 显示模块选择方案和论证
方案一:
采用 LED 数码管动态扫描,LED 数码管价格适中,对于显示数字合适,采用动态扫描
法与单片机连接时,虽然占用的单片机口线少,但连线还需要花费一点时间,所以也不用
此种作为显示。
方案二:
采用点阵式数码管显示,点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成,对于显示文
字比较适合,若采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以在此也不用此种作为
显示。
方案三:
采用 LCD1602 液晶显示屏;它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶
模块。1602LCD 可以显示的内容为 16X2,即可以显示两行。该液晶显示屏的显示功能强大,
内置 192 种字符,可显示大量符号、数字,清晰可见,而且功率消耗小寿命长抗干扰能力强。
综上,在此设计中采用 1602 液晶显示屏。
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1.4 传感器的选择方案和论证
方案一:选择机械式振动传感器
机械式振动传感器内部有一个平衡锤,当传感器振动时,平衡被破坏,如此会造成上
下触点的通断。佩戴者在跑步过程中,身体起伏重心高低产生变化,计步器内部的振动传
感器就会将这一变化转换为数字量送至控制单元,从而获得佩戴者的运动信息。机械式振
动传感器原理简单、精度和成本低,适用于振幅较大的场合。
方案二:选择加速度传感器
三轴加速度传感器分为压阻式,压电式和电容式。加速度的变化能够改变电阻、电压
或者电容的变化,从而获得空间位置三个垂直方向的加速度分量。佩戴者在跑步过程中,
身体上下起伏,计步器内部的微控制器读取三轴加速度传感器的三组模拟量,通过计步算
法分析,获取运动信息。三轴加速度传感器具有精度高、反应速度快、通讯协议简单可靠
等特点,广泛使用于汽车、数码产品、航天设备等领域。
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。利用这一特性,可将压力传感器内置
在鞋的底部,当用户在行进过程中,压力传感器受到的压力不同(抬脚时脚对鞋无压力,
放脚时脚对鞋有持续压力),这样,计步器的主控单元读取压力值,经过计步算法即可判
断运动状态。
为选择一款最适合本课题的计步传感器将三种传感器对比如下表:
表 1 三种传感器对比表
类型
机械式振动传感器
加速度传感器
压力传感器
工作电流
5mA
30mA
--
工作精度
0.1g
0.002g
--
价格(元)
1.0 元
5.0 元
--
目前内置于鞋底的压力传感器属于柔性传感器。在 2008 年北京奥运会上曾将它用于
检测运动员的蹬地力、蹬地时间、足底接触形状、运动速度、离心力等信息,以便指导运
动员取得更好的成绩。这种传感器价格昂贵,设计难度较大,不适合本设计。机械设振动
传感器应用于早期的计步器,测量精度低,误判、漏判严重,不符合本课题高精度的设计
原则。随着加速度传感器的工艺逐渐成熟,测量精度也逐渐提高,同时也有很高的灵敏度,
功耗已达到微安级别,温度漂移小,具有良好的稳定性,随着市场的大量使用,价格也降
了下来,加速度传感器非常适合移动设备应用。综上,加速度传感器符合本课题的设计理
念。表 2 列出了不同型号的三轴加速度传感器的特性。
表 2 加速度传感器特性对比表
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加速度计代表型号
LSM303DLH
MPU-6050
ADXL345
工作电流
0.83mA
500uA
150uA
精度
0.0003g
0.0003g
0.008g
价格(元)
40.0
50.0
3.0
结合价格、功耗和精度等多方面考虑,本课题选择的三轴加速度传感器 ADXL345 作
为计步传感器。
1.5 系统最终方案设计
该计步器是由 ADXL345 加速度传感器、STC89C52 单片机以及 LCD1602 显示屏等组
成。传感器采集数据,经内部 A/D 转换后,输入单片机内部,将数据处理后输出至液晶显
示器显示。
ADXL3
45传感
器采集
器
微处理
器STC8
9C52单
片机
LCD16
02数据
显示
图 1 总体方框图
2 硬件电路设计
2.1 系统硬件概述
本电路是以 STC89C52 单片机为控制核心,该芯片具有在线编程功能,功耗低,能在
3.3V 的超低压下工作,在单芯片上,拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash,使得
STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案;加速度传感器采
用 ADXL345,它是一款小而薄的超低功耗 3 轴加速度计,测量范围达正负 16g,数字输出
数据为 16 位的二进制补码格式,可通过 SPI(3 线或 4 线)或 IIC 数字接口访问。显示模
块使用 LCD1602 液晶显示屏来实现,该显示屏具有低功耗、寿命长、可靠性高,可供显示
的字符较多,控制指令简单的特点,其工作电压为 5V。
2.2 主要单元电路的设计
2.2.1 系统主控制模块的设计
本设计中单片机主要负责对外设的控制和各个功能模块间的协调,没有复杂的数据计
算,因此,8 位的 52 系列单片机足以胜任,它具有体积小、控制功能强、成本低,易扩展,
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可靠性好、使用温度范围宽等众多优点。通常使用的国产 STC89C52 单片机以其低廉的价
格以及较出色的性能成了很多控制系统的首选。它具有丰富的内部资源,较大的数据存储
区和程序存储区。同时,由于学习 52 单片机容易上手,指令简单易懂,编程灵活,在本
设计中具有较高的应用价值。
一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路、电源指示灯和外部扩展接口
等部分组成,本系统也不例外,当单片机具备了这些最基本的条件后,就可以正常工作了。
STC89C52 单片机外部结构图如图 2 所示。
图 2 单片机外部结构图
1、复位电路的设计
复位电路是使单片机的 CPU 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态,并从这上
状态开始工作。
(1)单片机常见的复位电路
通常单片机复位电路有两种:上电复位电路,按键复位电路。上电复位电路:上电复
位是单片机上电时复位操作,保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。它利用的是电
容充电的原理来实现的。按键复位电路:它不仅具有上电复位电路的功能,同时它的操作
比上电复位电路的操作要简单的多。如果要实现复位的话,只要按下 RESET 键即可。它
主要是利用电阻的分压来实现的
在此设计中,采用的按键复位电路。按键复位电路如图 3 所示。
XTAL2
18
XTAL1
19
ALE
30
EA
31
PSEN
29
RST
9
P0.0/AD0
39
P0.1/AD1
38
P0.2/AD2
37
P0.3/AD3
36
P0.4/AD4
35
P0.5/AD5
34
P0.6/AD6
33
P0.7/AD7
32
P1.0
1
P1.1
2
P1.2
3
P1.3
4
P1.4
5
P1.5
6
P1.6
7
P1.7
8
P3.0/RXD
10
P3.1/TXD
11
P3.2/INT0
12
P3.3/INT1
13
P3.4/T0
14
P3.7/RD
17
P3.6/WR
16
P3.5/T1
15
P2.7/A15
28
P2.0/A8
21
P2.1/A9
22
P2.2/A10
23
P2.3/A11
24
P2.4/A12
25
P2.5/A13
26
P2.6/A14
27
STC89C52
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