簡易計步器設計

改造者：王艷秋 楊秀清 裴春梅 韓　偉 高　威

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簡易計步器設計

改造者：王艷秋 楊秀清 裴春梅 韓偉 高威

近年來隨著健康意識的增強，人們越來越多的關注鍛煉身體，并且選擇步行這一簡單便捷的健身方式，同時計步器可以讓人們清楚地掌握自己的運動量，所以計步器成為了許多人健身的必備工具。隨著計算機和大規模集成電路的發展，單片機的應用越來越深入和廣泛，并且隨著芯片功能的增強、體積的變小、功耗的變低、價格的低廉，使用的便利等特點，單片機越來越多的應用在智能電路的設計中。

從結構上分，計步器可分為機械式和電子式兩種。機械式計步器的應用原理是將振動轉換為電脈沖信號，然后通過采集電脈沖信號實現統計人體行進步數的功能。機械式計步器具有成本低的特點、但是準確率和靈敏度不高。電子式計步器是應用加速度傳感器的原理而設計的一種計步器，這種計步器通過檢測人體行走時的步態加速度信號，然后通過相關的軟件算法計算出人體行走時的步數。電子式計步器的特點是功耗較低、精確度和靈敏度都很高。

本次方案設計的基于加速度傳感器為基礎的計步器利用了加速度特性來進行分析人們行走或跑步過程中人體的運動，通過加速度傳感器對人體加速度的測量值，加上單片機的計算分析，計算出人體行進中的步數。

計步器硬件結構方案設計

根據系統總體方案設定可知，我們的模塊主要包括電源模塊，傳感器模塊，單片機控制模塊，A/D轉換模塊，顯示模塊。系統方案設計圖，如圖1所示。

本次方案設計是基于以計步為主要功能的計步器，所以在功能上略為簡潔，只提供了記錄步數及顯示的功能。

圖1　系統方案設計圖

核心芯片介紹

STC89C52RC是由宏晶公司推出的一種小型單片機，該單片機的特點是采用Flash存儲技術，因而降低了生產制造的成本；此外該單片機的軟件和硬件與MCS-51單片機完全兼容；還有一個最主要的特點是該單片機具有電可擦寫特性，這樣使得各類應用的開發和實驗比較方便，為各類嵌入式控制系統的開發提供了靈活和廉價的解決方案。

STC89C52RC單片機的工作電壓范圍很寬，為2.7V～6V。工作電壓為3V時，其電流為工作在6V時的1/4。STC89C52RC的工作電流較小，工作頻率為12Hz時，電流為5.5mA；空閑狀態時為1mA，掉電狀態時僅為20nA。如此小的功耗使得該單片機廣泛應用于僅用電池就可以供電的小型控制系統中。

是一種增強型的8051單片機，可以任意的選擇機器周期，該單片機的指令代碼與51系列單片機完全兼容。

具有較寬的工作電壓：2.2V～3.6V（STC12LE5A60S2系列）。

用戶應用程序空間為8K字節， 片上集成512字節RAM。 增加外部掉電檢測電路，可在掉電時，及時將數據保存進EEPROM，正常工作時無需操作EEP。

通用I/O口（每個I/O有8個引腳）。單片機復位后，P1口、P2口、P3口、P4口是準雙向口。P0口既可以作為總線擴接口，又可以作為通用的I/O口；作為總線接口時，不需要外接上拉電阻，而作為通用的I/O口時，需要外接上拉電阻。

支持ISP和IAP程序下載。

看門狗電路。

3個定時器/計數器：T0、T1、T2，每個定時器/計數器都是16位的。

外部中斷有兩種觸發方式：低電平觸發方式和下降沿觸發方式。斷電模式可以采用低電平觸發方式喚醒 。

通用異步串行口，可以通過定時器的設置實現多個通用異步串行口。

工作溫度：工業級芯片的工作溫度范圍為-40℃～+85℃，商業級芯片的工作溫度范圍為0～75℃。

STC89C52RC單片機的芯片封裝形式為：PDIP封裝。

該單片機有3種工作模式 ：正常工作模式、空閑模式和掉電模式。掉電模式的功耗小于0.1μA；空閑模式的功耗為2mA ；正常工作模式的功耗4～7mA 。

加速度傳感器應用電路設計

MMA7361加速度傳感器的功能圖如圖2所示，在X軸、Y軸和Z軸三個相互垂直的方向上均可以由GCell傳感器單元檢測加速度，檢測的加速度信號經過容壓轉換電路、放大電路、濾波電路和溫度補償電路進行轉換之后將加速度信號以電壓信號的形式輸出。

重力檢測單元（G-Cell）是由半導體材料制成，它由三個極板和一個檢測質量塊組成，中間極板與外側的兩個極板分別構成了一個電容，當有加速度產生時，中間極板就會發生微小移動，這樣中間極板距離外側兩個極板的距離就會發生變化，因此中間極板與外側兩個極板組成的兩個電容的電容值就會隨之發生變化，也就是把檢測的加速度信號轉換成了電容值的變化。該電容值再經過一系列的測量轉換電路以電壓信號形式輸出。MMA7361加速度傳感器的功能原理圖如圖3所示。

圖2　MMA7361加速度傳感器功能圖

圖3　MMA7361加速度傳感器的功能原理圖

圖4　加速度傳感器模塊典型連接電路

MMA7361加速度傳感器可以進行靈敏度的任意選擇：g-Select1引腳和g-Select2引腳電平的不同，可以進行兩種靈敏度模式的選擇。MMA7361靈敏度選擇模式如表1所示。

表1　MMA7361靈敏度選擇模式

Sleep引腳功能：當MMA7361的Sleep引腳為低電平時，傳感器進入睡眠模式，在此模式下功耗很低；Sleep引腳是高電平時，傳感器進入正常工作模式。

MMA7361加速度傳感器模塊典型連接電路如圖4所示。

A/D轉換電路設計

PCF8591是一種A/D轉換芯片，其特點是：單片集成、單獨供電、低功耗、8位CMOS數據轉換器。PCF8591A/D轉換器具有4路模擬輸入端、1路模擬輸出端和1個串行IIC總線接口。具有3個可用于地址編程的地址引腳，可以在一個IIC總線上連接8個PCF8591A/D轉換器。PCF8591 A/D轉換器上的輸入輸出地址信號、控制信號、數據信號都是通過雙線雙向IIC總線以串行的方式進行傳輸。

PCF8591A/D轉換器的內部由多路模擬輸入端、內置跟蹤保持器、8位模數轉換器、8位數模轉換器等組成。PCF8591A/D轉換器的最大轉化速率是由IIC總線的最大傳輸速率決定的。

PCF8591A/D轉換器的原理結構圖如圖5所示。

本設計的A/D轉換電路如圖6所示。

圖5　PCF8591 A/D轉換器原理結構圖

圖6　本設計的A/D轉換電路

圖7　本設計方案的軟件流程圖

圖8　初始化步數值顯示結果圖

圖9　步數值增加后的顯示結果圖

軟件設計

加速度信號采集模塊是由MMA7361加速度傳感器檢測人體行走時的加速度信號，其X軸檢測水平前向的加速度，Y軸檢測側向的加速度，Z軸檢測垂直方向上加速度。采用MMA7361加速度傳感器能夠實現對人體行走時加速度信號的比較準確的檢測，此信號還可以通過低通濾波電路對高頻噪音和干擾信號進行濾波，進而減小檢測誤差。然后再將來自MMA7361模塊的模擬信號通過PCF8591進行A/D轉換，控制模塊對加速度信號進行讀取和顯示步數信息，經過相關的軟件算法計算出人體的行進步數，并將該步數通過顯示模塊進行顯示。

本設計方案的軟件流程圖如圖7所示。

計步器的使用

在系統加電之前，確保電源電壓和正負無誤；確保操作臺干凈整潔，沒有金屬屑、金屬絲等，防止電路板短路。接通電源后，LCD1602顯示初始化步數值為0；模擬行走的過程，LCD1602顯示“行走”時的步數。

初始化步數值顯示結果如圖8所示。步數值增加后的顯示結果如圖9所示。

王艷秋1楊秀清1裴春梅1韓 偉1高 威2

1.北京電子科技職業學院電信工程學院；2.北京聯合大學管理學院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.031