简易计步器设计

改造者：王艳秋 杨秀清 裴春梅 韩　伟 高　威



简易计步器设计

改造者：王艳秋 杨秀清 裴春梅 韩伟 高威

近年来随着健康意识的增强，人们越来越多的关注锻炼身体，并且选择步行这一简单便捷的健身方式，同时计步器可以让人们清楚地掌握自己的运动量，所以计步器成为了许多人健身的必备工具。随着计算机和大规模集成电路的发展，单片机的应用越来越深入和广泛，并且随着芯片功能的增强、体积的变小、功耗的变低、价格的低廉，使用的便利等特点，单片机越来越多的应用在智能电路的设计中。

从结构上分，计步器可分为机械式和电子式两种。机械式计步器的应用原理是将振动转换为电脉冲信号，然后通过采集电脉冲信号实现统计人体行进步数的功能。机械式计步器具有成本低的特点、但是准确率和灵敏度不高。电子式计步器是应用加速度传感器的原理而设计的一种计步器，这种计步器通过检测人体行走时的步态加速度信号，然后通过相关的软件算法计算出人体行走时的步数。电子式计步器的特点是功耗较低、精确度和灵敏度都很高。

本次方案设计的基于加速度传感器为基础的计步器利用了加速度特性来进行分析人们行走或跑步过程中人体的运动，通过加速度传感器对人体加速度的测量值，加上单片机的计算分析，计算出人体行进中的步数。

计步器硬件结构方案设计

根据系统总体方案设定可知，我们的模块主要包括电源模块，传感器模块，单片机控制模块，A/D转换模块，显示模块。系统方案设计图，如图1所示。

本次方案设计是基于以计步为主要功能的计步器，所以在功能上略为简洁，只提供了记录步数及显示的功能。

图1　系统方案设计图

核心芯片介绍

STC89C52RC是由宏晶公司推出的一种小型单片机，该单片机的特点是采用Flash存储技术，因而降低了生产制造的成本；此外该单片机的软件和硬件与MCS-51单片机完全兼容；还有一个最主要的特点是该单片机具有电可擦写特性，这样使得各类应用的开发和实验比较方便，为各类嵌入式控制系统的开发提供了灵活和廉价的解决方案。

STC89C52RC单片机的工作电压范围很宽，为2.7V～6V。工作电压为3V时，其电流为工作在6V时的1/4。STC89C52RC的工作电流较小，工作频率为12Hz时，电流为5.5mA；空闲状态时为1mA，掉电状态时仅为20nA。如此小的功耗使得该单片机广泛应用于仅用电池就可以供电的小型控制系统中。

是一种增强型的8051单片机，可以任意的选择机器周期，该单片机的指令代码与51系列单片机完全兼容。

具有较宽的工作电压：2.2V～3.6V（STC12LE5A60S2系列）。

用户应用程序空间为8K字节， 片上集成512字节RAM。 增加外部掉电检测电路，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEP。

通用I/O口（每个I/O有8个引脚）。单片机复位后，P1口、P2口、P3口、P4口是准双向口。P0口既可以作为总线扩接口，又可以作为通用的I/O口；作为总线接口时，不需要外接上拉电阻，而作为通用的I/O口时，需要外接上拉电阻。

支持ISP和IAP程序下载。

看门狗电路。

3个定时器/计数器：T0、T1、T2，每个定时器/计数器都是16位的。

外部中断有两种触发方式：低电平触发方式和下降沿触发方式。断电模式可以采用低电平触发方式唤醒 。

通用异步串行口，可以通过定时器的设置实现多个通用异步串行口。

工作温度：工业级芯片的工作温度范围为-40℃～+85℃，商业级芯片的工作温度范围为0～75℃。

STC89C52RC单片机的芯片封装形式为：PDIP封装。

该单片机有3种工作模式 ：正常工作模式、空闲模式和掉电模式。掉电模式的功耗小于0.1µA；空闲模式的功耗为2mA ；正常工作模式的功耗4～7mA 。

加速度传感器应用电路设计

MMA7361加速度传感器的功能图如图2所示，在X轴、Y轴和Z轴三个相互垂直的方向上均可以由GCell传感器单元检测加速度，检测的加速度信号经过容压转换电路、放大电路、滤波电路和温度补偿电路进行转换之后将加速度信号以电压信号的形式输出。

重力检测单元（G-Cell）是由半导体材料制成，它由三个极板和一个检测质量块组成，中间极板与外侧的两个极板分别构成了一个电容，当有加速度产生时，中间极板就会发生微小移动，这样中间极板距离外侧两个极板的距离就会发生变化，因此中间极板与外侧两个极板组成的两个电容的电容值就会随之发生变化，也就是把检测的加速度信号转换成了电容值的变化。该电容值再经过一系列的测量转换电路以电压信号形式输出。MMA7361加速度传感器的功能原理图如图3所示。

图2　MMA7361加速度传感器功能图

图3　MMA7361加速度传感器的功能原理图

图4　加速度传感器模块典型连接电路

MMA7361加速度传感器可以进行灵敏度的任意选择：g-Select1引脚和g-Select2引脚电平的不同，可以进行两种灵敏度模式的选择。MMA7361灵敏度选择模式如表1所示。

表1　MMA7361灵敏度选择模式

Sleep引脚功能：当MMA7361的Sleep引脚为低电平时，传感器进入睡眠模式，在此模式下功耗很低；Sleep引脚是高电平时，传感器进入正常工作模式。

MMA7361加速度传感器模块典型连接电路如图4所示。

A/D转换电路设计

PCF8591是一种A/D转换芯片，其特点是：单片集成、单独供电、低功耗、8位CMOS数据转换器。PCF8591A/D转换器具有4路模拟输入端、1路模拟输出端和1个串行IIC总线接口。具有3个可用于地址编程的地址引脚，可以在一个IIC总线上连接8个PCF8591A/D转换器。PCF8591 A/D转换器上的输入输出地址信号、控制信号、数据信号都是通过双线双向IIC总线以串行的方式进行传输。

PCF8591A/D转换器的内部由多路模拟输入端、内置跟踪保持器、8位模数转换器、8位数模转换器等组成。PCF8591A/D转换器的最大转化速率是由IIC总线的最大传输速率决定的。

PCF8591A/D转换器的原理结构图如图5所示。

本设计的A/D转换电路如图6所示。

图5　PCF8591 A/D转换器原理结构图

图6　本设计的A/D转换电路

图7　本设计方案的软件流程图

图8　初始化步数值显示结果图

图9　步数值增加后的显示结果图

软件设计

加速度信号采集模块是由MMA7361加速度传感器检测人体行走时的加速度信号，其X轴检测水平前向的加速度，Y轴检测侧向的加速度，Z轴检测垂直方向上加速度。采用MMA7361加速度传感器能够实现对人体行走时加速度信号的比较准确的检测，此信号还可以通过低通滤波电路对高频噪音和干扰信号进行滤波，进而减小检测误差。然后再将来自MMA7361模块的模拟信号通过PCF8591进行A/D转换，控制模块对加速度信号进行读取和显示步数信息，经过相关的软件算法计算出人体的行进步数，并将该步数通过显示模块进行显示。

本设计方案的软件流程图如图7所示。

计步器的使用

在系统加电之前，确保电源电压和正负无误；确保操作台干净整洁，没有金属屑、金属丝等，防止电路板短路。接通电源后，LCD1602显示初始化步数值为0；模拟行走的过程，LCD1602显示“行走”时的步数。

初始化步数值显示结果如图8所示。步数值增加后的显示结果如图9所示。

王艳秋1杨秀清1裴春梅1韩 伟1高 威2

1.北京电子科技职业学院电信工程学院；2.北京联合大学管理学院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.031