基于单片机的计步器设计及实现(编辑修改稿)

基于单片机的计步器设计及实现(编辑修改稿)内容摘要：

数 Count%50==0 继续计数 初始化 显示步数 预采样 清零按键按下 Y Y N 基于 51 单片机计步器的设计 12 计步器算法的实现 在可用于分析跑步或步行的特征当中，我们选择“加速度”作为相关参数。 个体（及其相关轴）的运动包括三个分量，分别是前向（“滚动”）、竖向（“偏航”）和侧向（“俯仰”），如图 9所示。 ADXL345 检测其三个轴 — x、 y和 z上的加速度。 计步器处于未知方向，因此测量精度不应严重依赖于运动轴与加速度计测量轴之间的关系。 图 9 跑步时的三个分量 让我们考虑步行的特性。 一个步伐，我们将其定义为单位步行周期，步行周期各阶段与竖向和前向加 速度变化之间有一定的关系。 要实现检测步数首先要对人走路的姿态有一定了解。 行走时 ,脚、腿、腰部 ,手臂都在运动 ,它们的运动都会产生相应的加速度 ,并且会在某点有一个峰值。 从脚的加速度来检测步数是最准确的 ,但是考虑到携带的方便 ,我们选择利用腰部的运动来检测步数。 图 10 显示了与一名跑步者的竖向、前向和侧向加速度相对应的 x、 y 和 z轴测量结果的典型图样。 无论如何穿戴计步器，总有至少一个轴具有相对较大的周期性加速度变化，因此峰值检测和针对所有三个轴上的加速度的动态阈值决策算法对于检测单位步行或跑步周期至关重要。 基于 51 单片机计步器的设计 13 图 10从一名跑步者测得的 x、 y 和 z 轴加速度的典型图样 （ 1）步伐参数 数字滤波器：首先，为使信号波形变得平滑，需要一个数字滤波器。 可以使用四个寄存器和一个求和单元，如图 11 所示。 当然，可以使用更多寄存器以使加速度数据更加平滑，但响应时间会变慢。 图 11 数字滤波器 基于 51 单片机计步器的设计 14 图 12 显示了来自一名步行者所戴计步器的最活跃轴的滤波数据。 对于跑步者，峰峰值会更高。 图 12 最活跃轴的滤波数据 动态阈值和动态精度：系统持续更新三轴加速度的最大值和最小值，每采样50次更新一次。 平均值 (Max + Min)/2 称为“动态阈值”。 接下来的 50次采样利用此阈值判断个体是否迈出步伐。 由于此阈值每 50 次采样更新一次，因此它是动态的。 这种选择具有自适应性，并且足够快。 除动态阈值外，还利用动态精度来执行进一步滤波。 步伐迈出的条件定义为：当加速度曲线跨过动态阈值下方时，加速度曲线的斜率为负值 (sample_new sample_old)。 峰值检测： 步伐计数器根据 x、 y、 z三轴中加速度变化最大的一个轴计算步数。 如果加速度变化太小，步伐计数器将忽略。 步伐计数器利用此算法可以很好地工作，但有时显得太敏感。 当计步器因为步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常缓慢地振动时，步伐计数器也会认为它是步伐。 为了找到真正的有节奏的步伐，必须排除这种无效振动。 利用“时间窗口”和“计数规则”可以解决这个问题。 “时间窗口”用于排除无效振动。 假设人们最快的跑步速度为每秒 5 步，最慢的步行速度为每 2秒 1 步。 这样，两个有效步伐的时间间隔在时间窗口 [ s s]之内， 时间间隔超出该时间窗口的所有步伐都应被排除。 ADXL345 的用户可选输出数据速率特性有助于实现时间窗口。 表 列出了基于 51 单片机计步器的设计 15 TA = 25176。 C、 VS = V、 VDD I/O = V时的可配置数据速率（以及功耗）。 表 3 数据速率和功耗 输出数据速率 (Hz) 带宽 (Hz) 速率代码 IDD (181。 A) 3200 1600 1111 146 1600 800 1110 100 800 400 1101 145 400 200 1100 145 200 100 1011 145 100 50 1010 145 50 25 1001 100 25 1000 65 0111 55 0110 40 此算法使用 50 Hz 数据速率 (20 ms)。 采用 interval 的寄存器记录两步之间的数据更新次数。 如果间隔值在 10 与 100 之间，则说明两步之间的时间在有效窗口之内；否则，时间间隔在时间窗口之外，步伐无效。 “计数规则”用于确定步伐是否是一个节奏模式的一部分。 步伐计数器有两个工作状态：搜索规则和确认规则。 步伐计数器以搜索规则模式开始工作。 假设经 过四个连续有效步伐之后，发现存在某种规则 (in regulation)，那么步伐计数器就会刷新和显示结果，并进入“确认规则”工作模式。 在这种模式下工作时，每经过一个有效步伐，步伐计数器就会更新一次。 但是，如果发现哪怕一个无效步伐，步伐计数器就会返回搜索规则模式，重新搜索四个连续有效步伐。 基于 51 单片机计步器的设计 16 5 测试及分析 系统调试及功能 图 13 系统实物图 设计的实物用于记录单位时间的人行走的步数，以及一段时间的总步数，以达到督促人们锻炼的目的。 系统的测试 如 表 2 为在实际步数中显示步数以及总步 数不复位情况下记录。 下图表 3为在实际步数中显示步数每 5 步复位一次总步数 不复位情况下记录。 由图可得到实物对步数统计准确率在 90%以上。 表 4 实际步数 5 10 15 20 25 30 显示步数 5 9 14 18 22 27 总步数 5 9 14 18 22 27 1602 显示步数和总步数 步数复位 总步数复位 单片机复位 Adxl34 传感器 基于 51 单片机计步器的设计 17 表 5 实际步数 5 10 15 20 25 30 显示步数 4 5 4 5 5 5 总步数 4 9 13 18 23 28 基于 51 单片机计步器的设计 18 6 总 结 在本次计步器的制作过程中，体会到不少。 而在解决问题的时候也是对自身的专业素质的一种提高。 在焊接 过程中元件必须清洁和镀锡焊接前用小刀挂掉氧化膜，然后再进行焊接时应使用电骡铁的温度高于焊锡的温度以烙铁头接触松香刚刚冒烟为好。 焊接点的上锡数量焊接点上的焊锡数量不能太少，焊少了焊接不牢固，机械强度也太差。 同时让我也更加的了解了 ADXL345 是一款出色的加速度计，非常适合计步器应用。 它具有小巧纤薄的特点，采用 3 mm 5 mm mm 塑封封装，利用它开发的计步器已经出现在医疗仪器和高档消费电子设备中。 它在测量模式下的功耗仅 40 μA，待机模式下为 μA，堪称电池供电产品的理想之选。 嵌入 式 FIFO 极大地减轻了主处理器的负荷，使功耗显著降低。 此外，可以利用可选的输出数据速率进行定时，从而取代处理器中的定时器。 13 位分辨率可以检测非常小的峰峰值变化，为开发高精度计步器创造了条件。 最后，它具有三轴输出功能，结合上述算法，用户可以将计步器戴在身上几乎任何部位。 基于 51 单片机计步器的设计 19 [参考文献 ] [1] 曹赟 周宇 徐寅林 . 加速度传感器在步态信号采集系统中的应用 [J]. 信息化研究 , 2020， 35(9). [2] 钱朋安，葛运建，唐毅等 .加速度计在人体运动检测中的应用 [J].计算机技术与应用进展， 2020:632— 636. [3] 陈义华 .基于加速度传感器的定位系统研究 [D].福建：厦门大学， 2020. [4] 孟维国．三轴加速度计 ADXL345的特点及其应用 [J]．电子设计工程，2020(2)： 4750． [5] 贾朱红，张晓冬．基于 I178。 C总线的单主多从单片机之问的通信 [J]．微计算机信息， 2020， 25(32)： 101． [6] 高吉祥．模拟电子线路设计 [M]．北京：北京电子工业出版社， 2020． [7] 陈尔绍．电子控制电路实例 [M]．北京： 电子工业出版社， 2020． [8] 王彦朋．大学生电子设计与应用 [M]．北京：中国电力出版社， 2020． [9] 屈翠香，李刚 .具有数字信号输出的三轴加速度传感器 ADXL345[J].国外电子元器件， 1999（ 8）： 8— 12. [10] 彭勃，何晓平，苏伟 .微机械静电伺服加速度计 [J].中国惯性技术学报，2020,8(1):63— 66. [11] 刘宗林，李圣怡，吴学忠 .新型三轴加速度计 [J].传感器技术学报，2020， 17（ 3）： 488— 492. 基于 51 单片机计步器的设计 20 附录 1 546231SW1sw 灰色12P1GNDVCC12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U1STC89C52Y112MC2 20C3 20VCCGNDR210KC1 10uFVCCS1S3S2GND单片主控电路电源接口电路LCD1602液晶接口按键电路GND1VCC2VO3RS4RW5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714BG/VCC15BG/GND16LCD1LCD1602GNDGNDVCCVCCR12KP00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07P00P01P02P03P04P05P06P07P10 P11 P12SCL1SDA2SDO3INT24VS7GND89VCC510INT15CS6U2ADXL345。