《健康计步器设计-电子信息工程专业本科毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《健康计步器设计-电子信息工程专业本科毕业论文（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2017 届电子信息工程专业本科毕业论文第 1 页 共 31 页健康计步器的设计健康计步器的设计摘要摘要：改革开放三十年来，随着社会的不断进步，人们的生活水平也不断的提高了，许多人把健身当做每天的一门必修的功课，在诸多的健身方法中，跑步便成了他们最有效，最简单的运动方法。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，也成了计量跑步时间、步数和里程的最简易、有效的工具。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，MMA7455 是微机械式三轴传感器，由它捕获人体运动时加速度信号，
2、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。关键字关键字：计步器 MMA7455 加速度传感器 低功耗Abstract: Thirty years of reform and opening up, with the constant progress of the society, peoples living standard has been improved, many people cons
3、ider fitness as every one of the compulsory courses, in many fitness method, running as their most effective, the most simple method, pedometer is a popular daily exercise progress monitor, can motivate people to challenge themselves, enhance physical fitness, to help lose weight. pedometer also bec
4、ame the running time, measurement step number and calories burned the most simple, effective tool. Pedometer function can calculate the movement of people to analyze the situation of human health. And the movement of people can be analyzed by many features. With the traditional mechanical sensors di
5、ffer, MMA7455 three-axis sensor is a capacitive acceleration signal by its human motion capture, and 第 2 页 共 31 页more accurate. Signal through a low pass filter, the microcontroller built-in A / D converter for signal sampling, A / D conversion. Software uses an adaptive algorithm pedometer function
6、, reduce error count is more accurate. STC89C52 SCM control LCD pedometer state. Machine operating current of only 1-1.5mA, ultra-low power consumption.Key words: pedometer, MMA7455, Acceleration sensor, low power consumption第 3 页 共 31 页1 1 绪论绪论1.11.1 引言引言随着社会的发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们越来越注重自己的健康，跑步成为了一种方便
7、而又有效的锻炼方式。但是如何知道自己的运动情况？计步器可以帮助人们实时掌握锻炼情况。它的主要功能是检测步数，通过步数和步幅可计算行走的路程。通过运动步数，得以计算人体消耗的热量，所以人们可以定量的制定运动方案来健身，并根据运行情况分析人体的健康状况，因而越来越流行。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。计步器的原理是利用行走时身体的肢体摆动从而影响振动传感器，然后单片机处理振荡信息并进行后续处理。振荡传感器的内部有一个可随意移动的小球，利用物体移动时产生的物理惯性，导致小球在物体内运动，然后利用感应器检测小球的运动，从而确定被检测物的运动状况。电子计步器主要组成部分是振动传
8、感器和电子计数器。步行的时候人的重心会上下移动。以腰部的上下移动最为明显，所以计步器挂在腰带上最为合适。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，其他的列如热量消耗，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，再计算出的速度，距离
9、，和消耗卡路里。1.21.2 研究意义研究意义计步器最早是由意大利的伦纳德达芬奇酝酿的，但现存的最早的计步器是在达芬奇之后 150 年，是德国于 1667 年制作的。在中世纪和近代，计步器并第 4 页 共 31 页未被广泛使用，因为人们并不清楚它的用途。这说明机器的发明(硬件)不及找到它对人类的用途(软件)重要。这使得计步器通常利用摆钟原理作为记步技术，利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。如果晃动这些装置，就可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆钟左右摆动敲响当块。这种机械式的计步器早已淡出历史，取而代之的是电子式的计步器。1.31.3 研究的内容研究的内容本文是一个基于 S
10、TC89C52 低速单片机，结合 MMA7455 倾角传感器来实现计步功能。根据设计的要求选择了基于三轴加速度 MMA7455 功能计步器设计方案，对硬件中微处理器电路模块、传感器数据采集模块以及 LCD1602 显示模块进行介绍，并对软件流程图以及计步检测算法进行介绍，最终完成对实物的调试和功能验证。2 2 方案设计及选择方案设计及选择2.12.1 设计要求设计要求（1）使用单片机技术处理数据。（2）能够有效的检测人体步行动作。（3）能够显示并且记录单位时间内的步数。（4）超过设定值报警。（5）可以通过按键设置每步的距离、总步数和总里程的预警值。2.22.2 MCUMCU 微处理器的选择微处
11、理器的选择方案一：采用 8 位微控制器8 位微控制器的典型代表是 8051 微控制器。8051 微控制器是一款入门级微控制器，它的内核简易，应用广泛，资料齐全，非常适合入门学习。同时价格低廉，是一款适用于追求低成本不求实时性的电子产品。很长一段时间内，8051 微控制器在我国占据了小型家电市场，其中原因是超低成本。方案二：采用 16 位微控制器第 5 页 共 31 页MSP430 微控制器是一款以低功耗闻名的 16 位微控制器，有许多低功耗的工作模式，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式，高效率的查表处理指令。这些特点都保证了用它可以编写出高效率的源程序。方案三：采用 32 位
12、微控制器现如今 32 位微控制器拥有超低功耗模式多种灵活的功率模式，适合不同的应用情形，可最大限度延长电池寿命；多种技术优化功耗，包括时钟和电源门控技术，以及带有位处理引擎、外围交叉桥和零等待闪存控制器的高效平台等；深度睡眠模式下，可在不唤醒内核的情况下进行智能决策并处理数据。综合上述几种单片机优缺点并且根据实验要求,就地取材选择了由 STC 公司生产的一种价格便宜、低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。2.32.3 传感器的选择传感器的选择方案一：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，因此会造成触点的
13、上下断通。佩戴者在跑步过程中，身体起伏重心高低发生变化，计算机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
14、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第 6 页 共 31 页（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。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
15、加速度传感器的工艺逐渐成熟，测量精度也逐渐提高，功耗已达到微安级别，随着市场的大量使用，价格也降了下来，非常符合本课题的设计理念。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 MMA7455 作为计步传感器。2.42.4 系统的总体设计系统的总体设计如图 2-1 所示，该计步器是由 STC89C52 单片机、MMA7455 加速度传感器以及 LED1602 显示屏等组成。传感器采集数据，经内部 A/D 传唤后，输入单片机内部，将数据处理后输入液晶显示。图 2-1 总体方框图3 3 系统的硬件设计系统的硬件设计3.13.1 微处理器电路模块微处理器电路模块STC89C52 是
16、STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很MMA7455 传感器采集器微处理器STC89C52 单片机LCD1602 数据显示第 7 页 共 31 页多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。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。具有以下标准功能：8k 字节 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保
