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(tǒng)設計

楊麗萍

遼寧錦州渤海大學工學院

隨著社會的發(fā)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(tǒng)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(shù)從而對距離以及速度參數(shù)進行計算，計步器系統(tǒng)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(xiàn)。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?yōu)榱舜蠖鄶?shù)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(fā)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換的過程，而轉(zhuǎn)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(shù)進行統(tǒng)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(jù)加速度傳感器設計實現(xiàn)的，工作的原理主要是通過是根據(jù)對人體行走的過程中的步態(tài)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(shù)。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?，F(xiàn)今為止，按照計步器的實現(xiàn)原理能夠?qū)崿F(xiàn)原理分為幾種：

（1）機械式的計步裝置，該裝置的實現(xiàn)原理是充分用到了人體在行走的時候產(chǎn)生的振動從而造成計步器里面的彈簧片以及彈力小球發(fā)生振動的情況進而形成電子脈沖，計步器內(nèi)部處理器計步是根據(jù)是否存在電子脈沖來實現(xiàn)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(jié)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(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給移動設備，這種方式實現(xiàn)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(jù)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(shù)據(jù)信息獲取，按照特定算法從而計算出參與者的步數(shù)。即使計步器的誕生在很早以前就出現(xiàn)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(xiàn)象。

4 系統(tǒng)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(xiàn)方面比較簡易，主要實現(xiàn)了步數(shù)記錄以及步數(shù)顯示的功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

4.1 顯示器的選擇

當已經(jīng)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(qū)動顯示器從而顯示步數(shù)。通常而言，可以被單片機驅(qū)動的顯示器具體由兩種組成，第一種的傳輸顯示的數(shù)據(jù)是通過串行口實現(xiàn)的，第二種傳輸顯示的數(shù)據(jù)是通過并口實現(xiàn)的。串行口傳輸數(shù)據(jù)的一個重要特點就是傳輸數(shù)據(jù)的距離比較長，傳輸單位是比特，將數(shù)據(jù)以及控制信息逐位傳輸，因此通過串行口傳輸?shù)乃俣葧容^慢。不同于串行口傳輸，并口傳輸?shù)膫鬏攩挝皇亲止?jié)，而且控制信息和數(shù)據(jù)的傳輸?shù)姆绞绞前凑?個比特位傳輸?shù)?，因此并口傳輸?shù)乃俦容^快，然而傳輸?shù)木嚯x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(xiàn)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(shù)據(jù)格式是字符型，可以將字母以及數(shù)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(xiàn)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(xù)到20秒，而且還可以循環(huán)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(xiàn)前提是搭建語音按鍵控制電路，根據(jù)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(tǒng)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(fā)生的改變。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)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(tǒng)所選擇的單片機型號是STC12LESA60SZ，系統(tǒng)中所需要的按鍵數(shù)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)FO口是低電平的，那么程序就會跳轉(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)，按下S8鍵用戶能夠?qū)P3實行播放與停止的操作。

6 結(jié)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?qū)崿F(xiàn)信息提示，按鍵電路中，當用戶按下具體的按鍵，系統(tǒng)就會根據(jù)鍵的類型從而觸發(fā)對應的程序。按鍵電路對于人們提取存儲數(shù)據(jù)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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