基于单片机的计步器系统设计

杨丽萍

辽宁锦州渤海大学工学院

基于单片机的计步器系统设计

杨丽萍

辽宁锦州渤海大学工学院

随着社会的发展，人们对健身需求也越来越高，设计一种基于单片机的计步器有着重要的意义，计步器系统中附带着日历时钟电路，通过该电路能够显示时间相关信息。按照步数从而对距离以及速度参数进行计算，计步器系统的设计成本低，具有重大的实用价值，能够满足人们的需求。

计步器 单片机 日历时钟电路

1 引言

最近的这几年，随着社会的生活水平提高，人们逐渐提高了健康意识，对于锻炼身体的重要性得到了更多人重视，通过计步器达到健身的目的，这种方式相比于其他的健身方式比较简单易实现。与此同时通过计步器人们能够很明白地了解个人的运动量，因此计步器变为了大多数人健身的一种必不可少的工具。随着计算机技术以及集成电路的飞速发展，越来越多的领域都用到了单片机，同时设计出来的芯片功能也在不断地提高，设计的体积也逐渐减小，功能损耗降低.

2 计步器的分类

按照结构的不同，计步器能够分类为机械式以及电子式。其中的机械式计步器的工作原理指的是对振动进行转换的过程，而转化的目标信号是电脉冲信号，接着利用所采集到的电脉冲信号对人们所步行的步数进行统计。机械式计步器的特点是资金成本投入低、然而有着比较低的准确率以及灵敏度。另一种计步器指的就是电子式计步器，该计步器是根据加速度传感器设计实现的，工作的原理主要是通过是根据对人体行走的过程中的步态加速度信号进行检测，接着按照特定的软件算法从而得出人体行走过程中总的步数。相比于机械式的计步器，电子式计步器的功能损耗比较低，而且精确度以及灵敏度十分高。

3 计步器原理

随着人们的健康意识逐渐增强，市场上的计步器种类越来越多。现今为止，按照计步器的实现原理能够将实现原理分为几种：

（1）机械式的计步装置，该装置的实现原理是充分用到了人体在行走的时候产生的振动从而造成计步器里面的弹簧片以及弹力小球发生振动的情况进而形成电子脉冲，计步器内部处理器计步是根据是否存在电子脉冲来实现的，即使这种计步方式所投入的成本不高，然而这些计步所得到的结果不是很准确。

（2）第二种指的是基于Android平台的计步器，通过无线通讯的相关技术把人体行走的步数数据发送给移动设备，这种方式实现的计步有着很低的准确率。

（3）第三种指的是加速度式的计步器，根据加速度传感器，将参与者在步行过程中所涉及的多个方向的加速度的数据信息获取，按照特定算法从而计算出参与者的步数。即使计步器的诞生在很早以前就出现了，然而很多的计步器在功能设计上比较单一，同时精度也比较低，无法做到精确的计步这是十分常见现象。

4 系统硬件设计

本文设计的模块组成由显示模块、单片机控制模块、以及电源模块等。系统总体结构图如图1所示。本文设计的计步器主要是以进步为最终的目的，功能实现方面比较简易，主要实现了步数记录以及步数显示的功能。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

4.1 显示器的选择

当已经确定了主处理器芯片以后，显示器的选择与主处理器芯片的性能有着直接的影响关系，只有主处理器芯片和显示器是匹配以后才可以驱动显示器从而显示步数。通常而言，可以被单片机驱动的显示器具体由两种组成，第一种的传输显示的数据是通过串行口实现的，第二种传输显示的数据是通过并口实现的。串行口传输数据的一个重要特点就是传输数据的距离比较长，传输单位是比特，将数据以及控制信息逐位传输，因此通过串行口传输的速度会比较慢。不同于串行口传输，并口传输的传输单位是字节，而且控制信息和数据的传输的方式是按照8个比特位传输的，因此并口传输的速比较快，然而传输的距离比较短同时抗干扰能力相对而言较差。其中显示器LCD1602的各引脚功能如表1所示。

表1 LCD1602各引脚功能

4.2 人机交互电路设计

其中人机交互电路中所包括的模块主要有键盘电路以及语音电路、显示电路等，该人机交互电路的功能实现涉及到了将计步器和外部的信息进行交换。显示电路中的显示的数据格式是字符型，可以将字母以及数字显示出来。其中LCD1602的接口方式可以分为并行以及串行两种，本文显示电路中的选择的是并行的方式。除了液晶显示功能之外，具体的功能实现还包括了语音输出的功能，当人们在进行运动的时候能够通过语言功能获得所需要的语音提示。语音芯片的型号选择的是ISD1820，工作电压是直流电压范围是3V到5V，语音输出模块中的语音录放能够持续到20秒，而且还可以循环播放语音以及单边播放等，这种语音播放的形式能够通过单片机进行控制。语音录制的实现前提是搭建语音按键控制电路，根据按键以及麦克进行语音录制，接着再把按键控制电路改装成单片机控制的语音电路。

5 软件设计

5.1 采样频率设定

通过收集的相关资料显示，人在行走的时候步伐的步速通常是为110步/min，步伐的频率是1.8Hz，如果人体的运动形式是跑步的话，那么运动的频率就是小于5Hz，所以系统的采样频率选择的是100Hz，采样频率的选定能够十分准确地显示出加速度信号所发生的改变。系统软件流程图如图2所示。

图2 系统软件流程图

5.2 按键控制电路

本文设计的基于单片机的计步器系统所选择的单片机型号是STC12LESA60SZ，系统中所需要的按键数目不是很多，所以当在按键电路设计的时候，选择的设计方法不是行列式键盘，而是选择了独立式按键设计方法，这种设计方法实现起来比较简单。按键控制电路的原理图如图3所示。

图3 按键控制电路图

从图3中能够看出，R17到R22的作用都是为了限流。当按键没有被按下的时候，电路中的1/O口的电平就会变成高电平。如果其中的一个按键被按下的时候，按键控制电路中的1/0的电平就会是低电平，当程序中进行到查询的时候如果发现FO口是低电平的，那么程序就会跳转到相应的操作。其中按键控制电路中的S3键以及S4键的作用是输入用户的身高，按键控制电路中的S5键和S6键是输入用户的体重，总体而言S3到S6键的作用是实现当用户在运动的整个过程中总共消耗的能量的计算。按下S7键用户可以输入预设定的步数，按下S8键用户能够对MP3实行播放与停止的操作。

6 结语

设计基于单片机的计步器对健身而言十分重要。本文的液晶显示模块以及语音输出电路能够实现信息提示，按键电路中，当用户按下具体的按键，系统就会根据键的类型从而触发对应的程序。按键电路对于人们提取存储数据十分有利，对于人们的日常生活都起到了很大的作用。

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