【正文】 2 液晶顯示屏與單片機(jī)的硬件連接圖。 當(dāng) R/W 端接高電平時(shí)芯片處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，反之處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)， E 端為使能信號(hào)端。 E為使能端，當(dāng) E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 R/W為讀寫信號(hào)線端，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 7 DB0~DB7 三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1 2 3 4 P11 1 2 3 4 P12 C7 X out Y out Z out VCC 1 3 5 7 9 11 2 4 6 10 12 8 13 14 ADXL345 SDO SDA SCL VDD GND GND RESE RESE INT2 GND NC VS CS INT1 X out Z out S1 Y out 第 10 頁(yè) LCD1602主要管腳介紹： V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生鬼影使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。 5 R/W R/W 為讀寫信號(hào)線。 管腳功能 如表 3 所示 ： 表 3 LCD1602 引腳功能 引腳 符號(hào) 功能說明 1 VSS 一般接地 2 VDD 接電源（ +5V） 3 V0 液晶顯示 器對(duì)比度調(diào)整端。它可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符，采用單 +5V 電 源供電，外圍電路配置簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比。 顯示模塊的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中由于要對(duì)時(shí)間進(jìn)行顯示，所以選擇液晶顯示屏 1602 模塊作為輸出。 如圖 9 所示，為傳感器底座，接口電路連接： 第 9 頁(yè) 圖 9 傳感器連接 模塊 此模塊電路主要功能就用于做 ADXL345 加速度傳感器的一個(gè)轉(zhuǎn) 接口，而且利用ADXL345 該加速度傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的變化值。其高分辨率 ()，能夠測(cè)量不到 176。 ADXL345 非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。16g。 圖 6 GCell 傳感器的物理模型 ADXL345 的三個(gè)相互正交的測(cè)量方向如圖 7，固定在人體上后，這三個(gè)方向上的數(shù) 第 8 頁(yè) 據(jù)意義也就隨之確定了。 圖 5 ADXL345 內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖 所謂的 GCell 傳感器是由半導(dǎo)體材料 (多晶硅 )經(jīng)半導(dǎo)體工藝加工得到，其結(jié) 構(gòu)可簡(jiǎn)化為三塊電容極板，如圖 6。 可以根據(jù)情況選擇 6MHz、 12MHz 或 24MHz 等頻率的石英晶體，補(bǔ)償電容通常選擇 30nF 左右的瓷片電容 。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下 嚴(yán)格地工作 。上電與按鍵均有效的復(fù)位電路不僅在上電時(shí)可以自動(dòng)復(fù)位，而且在單片機(jī)運(yùn)行期間，利用按鍵 也可以完成復(fù)位操作。上電瞬間 RESET 引腳 獲得高電平，隨著電容的充電， RERST 引腳的高電平將逐漸下降。按鍵復(fù)位電路如圖 3 所示。如果要實(shí)現(xiàn)復(fù)位的話，只要按下 RESET 鍵即可。它利用的是電容充電的原理來實(shí)現(xiàn)的。 （ 1）單片機(jī)常見的復(fù)位電路 通 常單片機(jī)復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位電路，按鍵復(fù)位電路。STC89C52 單片機(jī)外部結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。 同時(shí)，由于學(xué)習(xí) 52 單片機(jī)容易上手，指令簡(jiǎn)單易懂，編程靈活，在本設(shè)計(jì)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。 通常使用的國(guó)產(chǎn) STC89C52 單片機(jī)以其低廉的價(jià)格以及較出色的性能成了很多控制系統(tǒng)的首選。 顯示模塊 使用 LCD1602 液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn) ,該顯示屏具有低功耗、壽命長(zhǎng)、可靠性高 ，可供顯示的字符較多，控制指令簡(jiǎn)單 的特點(diǎn)，其工作電壓為 5V。傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換后，輸入單片機(jī)內(nèi)部，將數(shù)據(jù)處理后輸出 至 液晶顯示 器顯示 。 表 2 加速度傳感器特性對(duì)比表 加速度計(jì)代表型號(hào) LSM303DLH MPU6050 ADXL345 工作電流 500uA 150uA 精度 價(jià)格（元） 結(jié)合價(jià)格、功耗和精度等多方面考慮，本課題選擇的三軸加速度傳感器 ADXL345 作為計(jì)步傳感器。綜上，加速 度傳感器 符合本課題的設(shè)計(jì)理念。機(jī)械設(shè)振動(dòng)傳感器應(yīng)用于早期的計(jì)步器，測(cè)量精度低，誤判、漏判嚴(yán)重，不符合本課題高精度的設(shè)計(jì)原則。在 2021 年北京奧運(yùn)會(huì)上曾將它用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的蹬地力、蹬地時(shí)間、足底接觸形狀、運(yùn)動(dòng)速度、離心力等信息，以便指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員取得更好的成績(jī)。利用這一特性，可將壓力傳感器內(nèi)置在鞋的底部，當(dāng)用戶在行進(jìn)過程中，壓力傳感器受到的壓力不同（抬腳時(shí)腳對(duì)鞋無壓力，放腳時(shí)腳對(duì)鞋有持續(xù)壓力），這樣，計(jì)步器的主控單元讀取壓力值，經(jīng)過計(jì)步算法即可判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。三軸加速度傳感器具有精度高、反應(yīng)速度快、通訊協(xié)議簡(jiǎn)單可靠等特點(diǎn)，廣泛使用于汽車、數(shù)碼產(chǎn)品、航天設(shè)備等領(lǐng)域。加速度的變化能夠改變電阻、電壓或者電容的變化，從而獲得空間位置三個(gè)垂直方向的加速度分量。機(jī)械式振動(dòng)傳感器原理簡(jiǎn)單、精度和成本低，適用于振幅較大的場(chǎng)合。 第 3 頁(yè) 傳感器 的選擇方案和論證 方案一： 選擇機(jī)械式振動(dòng)傳感器 機(jī)械式振動(dòng)傳感器內(nèi)部有一個(gè)平衡錘，當(dāng)傳感器振動(dòng)時(shí)，平衡被破壞，如此會(huì)造成上下觸點(diǎn)的通斷。 該 液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大 ,內(nèi)置 192 種字符， 可顯示大量 符號(hào)、數(shù)字 ,清晰可見 ,而且功率消耗小壽命長(zhǎng)抗干擾能力強(qiáng)。 方案三： 采用 LCD1602 液晶顯示屏 ； 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型 液晶模塊 。 顯示模塊選擇方案和論證 方案一： 采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描 ,LED 數(shù)碼管價(jià)格適中 ,對(duì)于顯示數(shù)字合適 ,采用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí) ,雖然占用的單片機(jī)口線少，但連線還需要花費(fèi)一點(diǎn)時(shí)間，所以也不用此種作為顯示。 采用 STC89C52 芯片 ,STC89C52 是一種低功耗、高性能 的 8 位 CMOS 微控制器，具有8K 的 可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 (5) 使用單片機(jī)技術(shù)處理數(shù)據(jù)。 （ 3） 該系統(tǒng) 能夠有效的檢測(cè)人體步行動(dòng)作。 第 2 頁(yè) 1 總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 （ 1） 掌握加速度傳感器 ADXL345 的工作原理。計(jì)步器中一般采用一種加速度計(jì)來感受外界的震動(dòng)。以腰部的上下位移最為明顯，所以記步器掛在腰帶上最為適宜。電子計(jì)步器主要組成部分是振動(dòng)傳感器和電子計(jì)數(shù)器。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。手持式的電子計(jì)步器是適應(yīng)市場(chǎng)需求的設(shè)計(jì)，使用起來 簡(jiǎn)單方便。 關(guān)鍵詞： 計(jì)步器；加速度傳感器； ADXL345；低功耗 0 前言 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平日漸提高，人們也越來越關(guān)注自己的健康。單片機(jī) STC89C52 控制液晶顯示計(jì)步狀態(tài)。信號(hào)通過低通濾波器濾波，由單片機(jī)內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、 A/D 轉(zhuǎn)換。而人的運(yùn)動(dòng)情況可以通過很多特性來進(jìn)行分析?；蝿?dòng)這些裝置時(shí)，可以聽到有一個(gè)金屬球來回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。 第 1 頁(yè) 基于加速度傳感器 ADXL345 的計(jì)步器設(shè)計(jì) 摘要 ： 計(jì)步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以激勵(lì)人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。 計(jì)步器功能可以根據(jù)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)情況來分析人體的健康狀況。 與傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器不同， ADXL345 是電容式三軸傳感器，由它捕獲人體運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度信號(hào)，更加準(zhǔn)確。軟件采用自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能，減少誤計(jì)數(shù)，更加精確。整機(jī)工作電流只有 ，實(shí)現(xiàn)超低功耗。計(jì)步器作為一種測(cè)量?jī)x器，可以計(jì)算行走的步數(shù)和消耗的能量，所以人們可以定量的制定運(yùn)動(dòng)方案來健身，并根據(jù)運(yùn)行情況來分析人體的健康狀況，因而越發(fā)流行。 計(jì)步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以激勵(lì)人們挑戰(zhàn)自己，增強(qiáng)體質(zhì)，幫助瘦身?；蝿?dòng)這些裝置時(shí)，可以聽到有一個(gè)金屬球來回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。步行的時(shí)候人的重心會(huì)上下移動(dòng)。所謂的振動(dòng)傳感器其實(shí)就是一個(gè)平衡錘在上下振動(dòng)時(shí)平衡被破壞使一個(gè)觸點(diǎn)能出現(xiàn)通 /斷動(dòng)作，由電子計(jì)數(shù)器完成了主要的記錄與顯示功能，其他的屬于熱量消耗，路 程換算均由 電路 完成。常用的加速度計(jì)原理如下：在一段塑料管中密封著一小塊磁鐵，管外纏繞著線圈，當(dāng)塑料管運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鐵由于慣性在管中反向運(yùn)動(dòng)，切割線圈，由于電磁感應(yīng)，線圈中產(chǎn)生電流，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下起伏的加速度近似為正弦過程，線圈的輸出電流也是正弦波，測(cè)量正弦波的頻率就可以得出運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，再計(jì)算的出速度，距離，和消耗卡路里。 （ 2）掌握 LCD1602 的工作原理及編程方法。 (4) 能夠顯示并且記錄單位時(shí)間內(nèi)的步數(shù)，一段時(shí)間內(nèi)總步數(shù)，行走的距離以及消耗的熱量。 單片機(jī)芯片的選擇方案和論證 采用 AT89S51 芯片作為硬件核心，內(nèi)部具有 4KB ROM 存儲(chǔ)空間 ,能于 3V 的超低壓工作 ,而且與 MCS51系列單片機(jī)完全兼容 ,但是運(yùn)用于電路設(shè)計(jì)中時(shí)由于不具備 ISP在線編程技術(shù) ， 所以 在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，對(duì)芯片的多次拔插會(huì)對(duì)芯片造成一定的損壞。 同樣具有 AT89S51 的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對(duì)芯片多次拔插，所以不會(huì)對(duì)芯片造成損壞 ,因此 選擇采用 STC89C52 作為主控制系統(tǒng) 核心 。 方案二： 采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較適合 ,若采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi) ,且價(jià)格也相對(duì)較高 ,所以在此也不用此種作為顯示。 1602LCD 可以 顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行 。 綜上 ,在此設(shè)計(jì)中采用 1602 液晶顯示屏。佩戴者在跑步過程中，身體起伏重心高低產(chǎn)生變化，計(jì)步器內(nèi)部的振動(dòng)傳感器就會(huì)將這一變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字 量送至控制單元，從而獲得佩戴者的運(yùn)動(dòng)信息。 方案二： 選擇加速度傳感器 三軸加速度傳感器分為壓阻式，壓電式和電容式。佩戴者在跑步過程中，身體上下起伏，計(jì)步器內(nèi)部的微控制器讀取三軸加速度傳感器的三組模擬量，通過計(jì)步算法分析，獲取運(yùn)動(dòng)信息。 方案三： 選擇壓力傳感 器 壓力傳感器是將壓力的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。 為選擇一款最適合本課題的計(jì)步傳感器 將三種傳感器對(duì)比如 下表 ： 表 1 三種傳感器 對(duì)比表 類型 機(jī)械式振動(dòng)傳感器 加速度傳感器 壓力傳感器 工作電流 5mA 30mA 工作精度 價(jià)格（元） 元 元 目前內(nèi)置 于鞋底的壓力傳感器屬于柔性傳感器。這種傳感器價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)難度較大，不適合本設(shè)計(jì)。隨著加速度傳感器的工藝逐漸成熟，測(cè)量精度也逐漸 提高 ，同時(shí)也有很高的靈敏度 ，功耗已達(dá)到微安級(jí)別， 溫度漂移小， 具有良好的穩(wěn)定性， 隨著市場(chǎng)的大量使用，價(jià)格也降 第 4 頁(yè) 了下來， 加速度傳感器 非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。表 2 列出了不同型號(hào)的三軸加速度傳感器的特性。 系統(tǒng)最終 方案 設(shè)計(jì) 該計(jì)步器是 由 ADXL345 加速度傳感器、 STC89C52 單片機(jī)以 及 LCD1602 顯示屏等組成。 A D X L 34 5 傳 感器 采 集器微 處 理器 S T C 89 C 5 2 單片 機(jī)L C D 1 60 2 數(shù) 據(jù)顯 示 圖 1 總體方框圖 2 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件概述 本電路是以 STC89C52 單片機(jī)為控制核心，該芯片具有在線編程功能，功耗低，能在 的超低壓下工作 ， 在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的 解決方案 ； 加速度傳感器采用 ADXL345，它是一款 小而薄的超低功耗 3 軸加速度計(jì)，測(cè)量范圍達(dá)正負(fù) 16g，數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為 16 位的二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過 SPI（ 3 線或 4 線 ）或 IIC 數(shù)字接口訪問。 主要單元電路的設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 系統(tǒng) 主控制模塊的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中 單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)外設(shè)的控制和各個(gè)功能模塊間的協(xié)調(diào)， 沒有復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算， 因此， 8 位的 52 系列單片機(jī)足以勝任 ，它具有 體積小、控制功能強(qiáng)、成本低 ， 易擴(kuò)展 ， 可靠性好、使用溫度范圍寬 等眾多優(yōu)點(diǎn) 。它 具有豐富的內(nèi)部資源，較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和 程序存儲(chǔ)區(qū)。 一個(gè)典型的單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由時(shí)鐘電路