基于單片機的計步器系統設計

楊麗萍

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的計步器系統設計

楊麗萍

遼寧錦州渤海大學工學院

隨著社會的發展，人們對健身需求也越來越高，設計一種基于單片機的計步器有著重要的意義，計步器系統中附帶著日歷時鐘電路，通過該電路能夠顯示時間相關信息。按照步數從而對距離以及速度參數進行計算，計步器系統的設計成本低，具有重大的實用價值，能夠滿足人們的需求。

計步器 單片機 日歷時鐘電路

1 引言

最近的這幾年，隨著社會的生活水平提高，人們逐漸提高了健康意識，對于鍛煉身體的重要性得到了更多人重視，通過計步器達到健身的目的，這種方式相比于其他的健身方式比較簡單易實現。與此同時通過計步器人們能夠很明白地了解個人的運動量，因此計步器變為了大多數人健身的一種必不可少的工具。隨著計算機技術以及集成電路的飛速發展，越來越多的領域都用到了單片機，同時設計出來的芯片功能也在不斷地提高，設計的體積也逐漸減小，功能損耗降低.

2 計步器的分類

按照結構的不同，計步器能夠分類為機械式以及電子式。其中的機械式計步器的工作原理指的是對振動進行轉換的過程，而轉化的目標信號是電脈沖信號，接著利用所采集到的電脈沖信號對人們所步行的步數進行統計。機械式計步器的特點是資金成本投入低、然而有著比較低的準確率以及靈敏度。另一種計步器指的就是電子式計步器，該計步器是根據加速度傳感器設計實現的，工作的原理主要是通過是根據對人體行走的過程中的步態加速度信號進行檢測，接著按照特定的軟件算法從而得出人體行走過程中總的步數。相比于機械式的計步器，電子式計步器的功能損耗比較低，而且精確度以及靈敏度十分高。

3 計步器原理

隨著人們的健康意識逐漸增強，市場上的計步器種類越來越多。現今為止，按照計步器的實現原理能夠將實現原理分為幾種：

（1）機械式的計步裝置，該裝置的實現原理是充分用到了人體在行走的時候產生的振動從而造成計步器里面的彈簧片以及彈力小球發生振動的情況進而形成電子脈沖，計步器內部處理器計步是根據是否存在電子脈沖來實現的，即使這種計步方式所投入的成本不高，然而這些計步所得到的結果不是很準確。

（2）第二種指的是基于Android平臺的計步器，通過無線通訊的相關技術把人體行走的步數數據發送給移動設備，這種方式實現的計步有著很低的準確率。

（3）第三種指的是加速度式的計步器，根據加速度傳感器，將參與者在步行過程中所涉及的多個方向的加速度的數據信息獲取，按照特定算法從而計算出參與者的步數。即使計步器的誕生在很早以前就出現了，然而很多的計步器在功能設計上比較單一，同時精度也比較低，無法做到精確的計步這是十分常見現象。

4 系統硬件設計

本文設計的模塊組成由顯示模塊、單片機控制模塊、以及電源模塊等。系統總體結構圖如圖1所示。本文設計的計步器主要是以進步為最終的目的，功能實現方面比較簡易，主要實現了步數記錄以及步數顯示的功能。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

4.1 顯示器的選擇

當已經確定了主處理器芯片以后，顯示器的選擇與主處理器芯片的性能有著直接的影響關系，只有主處理器芯片和顯示器是匹配以后才可以驅動顯示器從而顯示步數。通常而言，可以被單片機驅動的顯示器具體由兩種組成，第一種的傳輸顯示的數據是通過串行口實現的，第二種傳輸顯示的數據是通過并口實現的。串行口傳輸數據的一個重要特點就是傳輸數據的距離比較長，傳輸單位是比特，將數據以及控制信息逐位傳輸，因此通過串行口傳輸的速度會比較慢。不同于串行口傳輸，并口傳輸的傳輸單位是字節，而且控制信息和數據的傳輸的方式是按照8個比特位傳輸的，因此并口傳輸的速比較快，然而傳輸的距離比較短同時抗干擾能力相對而言較差。其中顯示器LCD1602的各引腳功能如表1所示。

表1 LCD1602各引腳功能

4.2 人機交互電路設計

其中人機交互電路中所包括的模塊主要有鍵盤電路以及語音電路、顯示電路等，該人機交互電路的功能實現涉及到了將計步器和外部的信息進行交換。顯示電路中的顯示的數據格式是字符型，可以將字母以及數字顯示出來。其中LCD1602的接口方式可以分為并行以及串行兩種，本文顯示電路中的選擇的是并行的方式。除了液晶顯示功能之外，具體的功能實現還包括了語音輸出的功能，當人們在進行運動的時候能夠通過語言功能獲得所需要的語音提示。語音芯片的型號選擇的是ISD1820，工作電壓是直流電壓范圍是3V到5V，語音輸出模塊中的語音錄放能夠持續到20秒，而且還可以循環播放語音以及單邊播放等，這種語音播放的形式能夠通過單片機進行控制。語音錄制的實現前提是搭建語音按鍵控制電路，根據按鍵以及麥克進行語音錄制，接著再把按鍵控制電路改裝成單片機控制的語音電路。

5 軟件設計

5.1 采樣頻率設定

通過收集的相關資料顯示，人在行走的時候步伐的步速通常是為110步/min，步伐的頻率是1.8Hz，如果人體的運動形式是跑步的話，那么運動的頻率就是小于5Hz，所以系統的采樣頻率選擇的是100Hz，采樣頻率的選定能夠十分準確地顯示出加速度信號所發生的改變。系統軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統軟件流程圖

5.2 按鍵控制電路

本文設計的基于單片機的計步器系統所選擇的單片機型號是STC12LESA60SZ，系統中所需要的按鍵數目不是很多，所以當在按鍵電路設計的時候，選擇的設計方法不是行列式鍵盤，而是選擇了獨立式按鍵設計方法，這種設計方法實現起來比較簡單。按鍵控制電路的原理圖如圖3所示。

圖3 按鍵控制電路圖

從圖3中能夠看出，R17到R22的作用都是為了限流。當按鍵沒有被按下的時候，電路中的1/O口的電平就會變成高電平。如果其中的一個按鍵被按下的時候，按鍵控制電路中的1/0的電平就會是低電平，當程序中進行到查詢的時候如果發現FO口是低電平的，那么程序就會跳轉到相應的操作。其中按鍵控制電路中的S3鍵以及S4鍵的作用是輸入用戶的身高，按鍵控制電路中的S5鍵和S6鍵是輸入用戶的體重，總體而言S3到S6鍵的作用是實現當用戶在運動的整個過程中總共消耗的能量的計算。按下S7鍵用戶可以輸入預設定的步數，按下S8鍵用戶能夠對MP3實行播放與停止的操作。

6 結語

設計基于單片機的計步器對健身而言十分重要。本文的液晶顯示模塊以及語音輸出電路能夠實現信息提示，按鍵電路中，當用戶按下具體的按鍵，系統就會根據鍵的類型從而觸發對應的程序。按鍵電路對于人們提取存儲數據十分有利，對于人們的日常生活都起到了很大的作用。

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