毕业设计论文基于加速度传感器的计步器设计.docx

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毕业设计论文基于加速度传感器的计步器设计

基于加速度传感器的计步器设计

摘要........................................................................................................................

Abstract........................................................................................................................

1绪论.......................................................................................................................1

1.1课题研究目的及意义..................................................................................1

1.2国内外计步器的发展情况..........................................................................1

1.3计步器的原理及分类..................................................................................2

2计步器系统总体设计结构设计...........................................................................2

2.1计步器总体设计........................................................................................3

2.2三种计步器的对比....................................................................................8

2.3系统硬件结构方案设计..........................................................................10

2.4系统设计方案论证..................................................................................13

3计步器系统硬件电路设计.................................................................................15

3.1加速度传感器电路..................................................................................15

3.2单片机系统电路......................................................................................17

3.3LCD显示电路.........................................................................................20

3.4开关与电源电路......................................................................................23

4计步器系统软件设计.........................................................................................30

4.1主程序流程图..........................................................................................30

4.2子程序流程图..........................................................................................31

5计步器调试与结果分析.....................................................................................35

5.1实物系统调试........................................................................................35

5.2结果分析................................................................................................37

6总结与展望......................................................................................................44

参考文献....................................................................................................................45

附录一程序代码....................................................................................................46

附录二设计电路图................................................................................................50

附录三硬件电路实物图........................................................................................53

致谢............................................................................................................................55

摘要

随着我们生活水平的不断提高，社会各阶层的人们开始对身体健康尤其的关注。

然而健身的方法数不胜数，步行是最好的运动之一。

健康需要走出来，行走锻炼——人类生命健康的加氧站。

步行是一种静中有动、动中有静的健身方式，可以缓解神经肌肉紧张。

据专家实验得出，当烦躁、焦虑的情绪涌上心头时，我们以轻快的步伐散步15分钟左右，即可缓解紧张、稳定情绪。

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。

比如人在运动时会产生加速度。

论文主要采用了以单片机AT89C52为核心的计步器控制系统，并实现运动计步，是通过人运动时产生加速度变化来实现的，本文利用具有体积小，功耗低，三轴加速度传感器MMA7455来实现，采集到的加速度数据通过适当的算法就可以实现计步功能，最后通过LCD1602给予显示。

本设计的特色在于完整的设计出计步器及其控制电路，整个系统具有控制方便，检测精确，硬件结构简单，方便携带，成本较低等优点。

关键词：

单片机；加速度传感器；液晶显示

Abstract

Withourcontinuousimprovementoflivingstandards,socialstrata,especiallythehealthofpeoplebegantoconcern.However,numerousmethodsoffitness,walkingisthebestexerciseone.Healthneedstocomeout,walkingexercise-humanlifeandhealthandoxygenstation.Walkingisastaticinaction,movinginastaticwayoffitness,canrelievenervemuscletension.Accordingtoexperts,experimentallyderived,whenirritability,anxietyinmyheart,wearewalkingatabriskpaceforabout15minutes,youcanrelievetension,emotionalstability.Pedometerfunctioncanbecalculatedaccordingtothemovementofthepersontoanalyzehumanhealth.Andthemovementofpeoplecanbeanalyzedthroughanumberofcharacteristics.Suchashumaninmotionwillproduceaccelerations.

ThesisusesamicrocontrollerAT89C52asthecorecontrolsystempedometer,pedometerandachievemovementisproducedbythehumanmovementaccelerationchangetoachieve,thispaperhasasmallsize,lowpowerconsumption,triaxialaccelerationsensorMMA7455toimplementation,theaccelerationdatacollectedthroughappropriatealgorithmscanachievestepcount,andfinallythroughLCD1602givendisplay.

Thisdesignfeatureisthecompletedesignofapedometeranditscontrolcircuit,thewholesystemeasytocontrol,detectionaccuracy,thehardwarestructureissimple,easytocarry,andlowcost.

Keywords:

Mcrocontroller,Accelerationsensors,LCD

1.绪论

1.1课程研究目的及意义

智能仪器是当代发展最为迅猛的科学技术，在工业领域得到了广泛的应用。

基于仪器仪表智能化的发展趋势，发展出很多以单片机为基础的智能仪器产品。

在日常生活中，计步器的应用得到了广泛的认可，计步器最基本的功能就是计步，在你散步甚至跑步的时候能帮你计算总共走了几步。

除了计步功能，卡路里，距离，收音机和时间也是计步器通常带有的功能，这些功能都非常普遍。

随着发展的深入，温度计，高度计、心率计、秒表和气压计等很多针对户外活动的功能也越来越多的应用于计步器。

目前，计步器的构成有机械式和电子式两种。

机械式的计步器利用人行走时的振动引起计步器内部簧片或者弹力小球的振动来产生电子脉冲，内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。

这种机械方式的成本比较低，但是它的准确性和灵敏度很低。

另一种是基于加速度传感器的电子式的计步器，可以精确测得人行走时的步态加速度信号。

通过微控制器相关算法可以获得人行走时的步数，这种电子计步器具有功耗低，精确度和灵敏度高等优点。

其中本文讨论的基于加速度传感器为基础的计步器正好利用了加速度特性来进行分析，行走或跑步过程中人体的多处部位都在运动，会产生相应的加速度，加速度与时间成正弦曲线，并且会在某一点形成峰值，因为通过计算可以计算步数，估算距离。

因为其种种优点逐渐成为计步器市场上的代表。

美国医学专家推荐了一个用走路自测健康状况的公式：

如果你能在10分钟内走完1000步，说明健康状况良好；如果能在20分钟内走完2000步，说明健康状况优秀；而如果能在30分钟内走完3000步，那么你的身体状况与一个青壮年小伙子一样棒。

正因为步行对健康起到如此重要的作用，而又需要比较合理的测出行走的步数，一个小巧方便的计步器是不可或缺的。

它是一种健康电子产品，顾名思义就是在你走步的时候帮你计算一共走了多少步，是一个既经济又科学的小工具。

计步器可以帮我们完成每天走步计数目标。

总的来说，计步器的开发研制对健康生活极其关键。

它不仅仅是一个计数的机器，更是一个督促运动，与健康密切联系的必需品。

1.2国内外计步器的发展情况

20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。

此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。

加速度计面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起受到重视。

这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。

这种状况直到微机械加速度计（MicroMechanicalAccelerometer，MMA）的问世才发生了改变。

随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。

微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：

体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。

它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

当前国内在加速度技术上仍沿用传统的压电技术，精度停留在5×10-5g水平上，而且尺寸偏大，重量偏重，影响我国惯导技术的先进性。

近年来国内虽然有多个单位MEMS微加速度计进行了研究，但在精度上仍未取得突破，大体上只能达到10-1g的水平。

我国从20世纪80年代末开始了MEMS技术的研究，包括硅微型压力传感器、微型电机和微型泵。

10多年来研究队伍逐步扩大，本世纪初已形成40多个单位的50多个研究小组，在MEMS传感器方面开展了大量的研究工作，取得了长足的进步。

MEMS研究方向包括：

微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和制动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。

国内公开发表文献表明，我国研制的振动轮式机械陀螺零偏稳定性达到70°/h，随机游走噪声达到30°/。

但由于基础研究的薄弱，技术人员的缺乏，技术和资金投入的不足，我国在各个技术方面与国外发达国家相比还有一定的差距，主要体现在批量生产时性能的稳定性和器件的完好率都有待于提高。

基于加速度传感器的计步器最大的核心问题是它的精确度问题，如何正确统计人行走或者跑步的距离，如何准确计算消耗的卡路里。

在精确度问题上，日本及一些欧洲国家所生产的的计步器较为精确，我国方面多用于基础民用阶段。

但由于机械生产的精度不高，电路集成性不强，导致计步器的便携性弱于国外产品。

精确性的决定条件就是传感器的精确性，加速度传感器的种类很多，发展也很快，目前应用比较比较成熟的有电容式加速度传感器和压阻式加速度传感器。

压阻式加速度传感器是利用硅材料电阻率的变化。

压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低。

电容式加速度传感器是将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量的。

其基本特征是工作性能稳定，温度漂移小。

然而，电容式加速度传感器在将被测加速度转换为对应的电容器电容变化量时，由于加速度惯性力引起电容极板位移的敏感度和速度总是慢于和小于悬臂梁等支承梁上应力变化的敏感度和速度，所以声表面波加速度传感器对被测加速度的敏感度和响应速度要高于和快于电容式等其它类型的加速度传感器。

近年来，开放新型功能材料、研究新型传感技术，已被发达国家列为现代和未来科学研究的技术开放规划中的战略重点。

利用新材料、新原理和新工艺研制出高性能、低成本、智能化、微型化的传感器是研究新型传感器的主要手段和最终目标。

在种类众多的传感器家族中，声表面波是其中比较出色的一员。

1.3计步器的原理及其分类

目前，计步器的构成有机械式和电子式两种。

机械式的计步器利用人行走时的振动引起计步器内部簧片或者弹力小球的振动来产生电子脉冲，内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。

这种机械方式的成本比较低，但是它的准确性和灵敏度很低。

而采用三轴加速度传感器MMA7455，可以精确测得人行走时的步态

加速度信号。

通过微控制器相关算法可以获得人行走时的步数，这种电子计步器具有功耗低，精确度和灵敏度高等优点。

电子计步器的工作核心就是传感器，一般根据传感器的形式可分为2D计步器和3D计步器。

按功能分又可以分为单功能计步器，计步器手表，脂肪测量计步器等等。

老一代的2D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，由电子计数器记录并显示就完成了主要功能，其他的热量消耗，路程换算均由电路完成，也称作机械式计步器。

一般这种2D的电子计步器在使用的时候都需要垂直地面佩带才能感受人体的震动产生数据记录，所记录的数据误差偏大，价格便宜。

当前市面上主流都是使用3D式电子计步器。

3D意味着全方位感受人体震动，也就是不需要再垂直地面佩带，只要带在身边口袋中，手提包内都可以计步。

不管是2D还是3D电子计步器，都是需要录入使用者的个人信息。

毕竟作为专业的计步器与计步软件最大的不同，就是计步器的准确性。

通常需要录入的个人信息最基本的数据就是体重与步距。

体重是用来测算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用来计算步行速度，步行距离的前提。

而网上流行的计步软件只能记录走路的步数，无法测算卡路里的消耗，步行的路程，时间，速度等数据更是因为没有录入步距的情况下导致数据极不准确，无法起到控制运动量的作用。

2D计步器只能存储一组步数，距离，卡路里数据，用户可以复位清除记忆中的数据并重新计步。

3D计步器可以按日期存储多天的步数，距离，卡路里，时间等数据。

计步器每天24点自动将前一天数据储存在记忆体中，并将当天步数等数据自动归零。

用户可以通过MEM按钮回看过去几天的数据。

通常3D计步器存储的数据可以达到6天或者更多。

计步器手表数据存储方式和3D计步器相同。

1.3.1单功能计步器

单功能计步器也可以称作2D计步器，是最简单的计步器。

通常来说单功能计步器只是计算你在运动走路中你所走的步数，这种计步器是最早也是最简单的，普遍采用了游丝摆锤机械式传感器，精度低但成本低，适合大批量生产。

在单功能计步器中没有时间精度，无防水防尘防震，无法数据储存，无速度显示，佩戴时必需垂直，配有皮带夹，普遍是塑料材质，没有秒表时间日历等功能。

图1单功能计步器

1.3.23D计步器

当前市面上主流都是使用3D式电子计步器。

3D意味着全方位感受人体震动，也就是不需要再垂直地面佩带，只要带在身边口袋中，手提包内都可以计步。

不管是2D还是3D电子计步器，都是需要录入使用者的个人信息。

毕竟作为专业的计步器与计步软件最大的不同，就是计步器的准确性。

通常需要录入的个人信息最基本的数据就是体重与步距。

体重是用来测算卡路里（Kcal）的消耗；步距是用来计算步行速度，步行距离的前提。

而网上流行的计步软件只能记录走路的步数，无法测算卡路里的消耗，步行的路程，时间，速度等数据更是因为没有录入步距的情况下导致数据极不准确，无法起到控制运动量的作用。

在3D计步器中主要是采用加速度传感器，双行显示，可以设计数据储存，显示卡路里，步数，距离等，相对于2D计步器更加的精确，便携，质量好。

图2.3D计步器

1.3.3计步器手表

计步器手表也就是将3D计步器的芯片整合在手表中。

这样用户可以通过佩戴计步器手表来计算步数，跑步速度，跑步距离，卡路里，并且还能拥有手表的日历，闹钟，秒表，计时等等功能

除此之外，还有些其他功能附加，或者制作出不同的佩戴方式，比如脂肪测量计步器，顾名思义，就是计步器整合了脂肪测量仪的功能。

脂肪测量仪是通过手指按住计步器的两个角上的电阻片，4秒钟读出人体的脂肪率。

并计算人体的肥胖程度。

其中人体的年龄，性别，体重等数据和计步器公用。

对一些利用计步器来减肥的人群十分适用。

收音机计步器计步器结合了FM调频收音机的功能。

人们可以一边走路跑步计步，一边欣赏音乐和广播。

计步腕带计步腕带内含3D运动传感器，本身不带显示器，需要和手机同步使用。

图3.计步器手表

图4.脂肪测量计步器

图5.收音机计步器

图6.腕带计步器

计步器的基本功能：

时间显示、跑表功能、步数显示、距离显示及个性化步幅设计。

另外还有自动收台FM收音机、目标距离、目标时间、响闹提醒功能、自动设置步幅、10000步提示、速度显示、卡路里功能、手指感应心率、自动浏览数据等功能。

计步器是老年朋友的健康伴侣，也是子女表孝心的实惠健康礼品。

您可以按照自由的需要选择适合您的计步器。

另外在选择的时候还应选购较为知名的品牌，如今市场上跨国品牌主要有：

美国acumen（安康盟），日本casio（卡西欧），日本欧姆龙品牌等。

大家可以根据自己的喜好和计步器本身的功能来进行选择。

一般来讲，除卡西欧的部分型号外，跨国品牌计步器均在我国寻找OEM厂家代工生产。

日系品牌的设计也一般外包给国内的公司进行。

所以，从一般意义上讲，各品牌家用计步器的质量差别是微乎其微的。

但是，总体来说国内品牌的品牌力较弱，铺货渠道不充分，成为制约其发展的最大障碍之一。

据国内医疗器械行业调查机构统计，在华北市场和华东市场，国内计步器的市场占有率尚不及跨国品牌的70%。

这一方面有消费者对于国产品牌得不信任感作祟，另一方面是大品牌的渠道优势。

例如欧姆龙和卡西欧在绝大多数一二线城市，甚至包括一些三线城市的商场、药店拥有专柜。

而国产品牌里仅有绿森林、康超力在部分一二线城市的商场、药店拥有专柜。

2.计步器系统总体设计结构设计

2.1计步器总体设计

计步器总体上来说由控制器模块，输入模块，输出模块和电源模块组成。

对仿真器进行编程，使单片机作为主控制设备对采集到的传感器信号进行处理，最后通过LCD显示输出。

在其中控制器模块，我采用按键模块，像典型的计步器按键一样，在设计初期设定的按键有开始键，停止键，重新计数键以及单片机模块必须带有的复位键。

输入模块有MMA7455加速度传感器为主，单片机为媒介，在检测出