单片机的多功能计步器设计与制作
摘 要本文主要围绕“计步器控制系统”进行了全方位的介绍，不仅对这种系统的起源发展背景以及国内外的研究现状做了综合分析，更在此基础上制定了本文的设计目标。笔者选用了目前单片机市场上最畅销的STC89C51单片机作为主要控制器芯片，并结合了其他必要的功能芯片，设计出了一款能够实现步数精确检测和计量、时间显示等功能的计步器控制系统，该系统不仅在硬件上突破了目前相关产品的成本消耗，更将硬件系统结构简化到最精，大幅度地降低了电能消耗、提高了待机时长，另外由于采用了普及程度较为广泛的C语言进行了程序代码的设计和开发，因此大大减少了软件系统的设计周期。本文最终通过Proteus软件对所设计的系统进行了全面的仿真，对各种能指标进行了检验，检验结果显示系统的各项性能完全达标。
目录
一、 引言 1
（一） 智能计步器的发展背景 1
（二） 智能计步器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控芯片的选取 3
（二） STC89C51单片机简介 4
（三） ADXL345三维加速度传感器介绍 5
（四） LCD1602液晶显示器介绍 6
（五） DS1302实时时钟芯片 7
三、 硬件系统设计 9
（一） 计步器系统的硬件结构框图设计 9
（二） STC89C51单片机最小系统设计 9
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 10
（三） ADXL345三维加速度传感器电路设计 10
（四） 液晶显示器电路设计 11
（五） DS1302实时时钟芯片电路的设计 12
四、 软件系统设计 12
（一） 计步器系统的软件工作流程设计 13
（二） ADXL345工作流程图上设计 14
（三） 液晶显示器工作流程设计 15
（四） DS1302实时时钟芯片的驱动流程设计 16
五、 实物制作 17
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 附录一 原理图 21
附录二 PCB 22
附录三 元件列表 23
附录四 程序 24
引言
智能计步器的发展背景
随着科学技术的不断发展以及人们对生活品质的不断追求，计步器在人们的生活中以及随处可见了，这种电子器件通常能够辅助人们对走动的步数进行检测和统计，不仅如此它通常还能够实现一些障碍物警告、步速提示以及训练计划等复杂功能。各类人群都对自身的健康状况紧密关注，每天的运动量称为人们密切关注的一个常见指标，而每天所走动的步数最能反映运动量，尤其是一些上班族，很少有时间去健身房进行专业训练，因此大多数智能手机都实现了计步器功能。本文课题的提出就是以此为研究背景，提出通过性价比更高的控制器和三维角速度传感器的合理搭配，来设计一款能够实现更高性能指标的智能计步器控制系统。所谓“计步器控制系统”，实际上是指通过单片机、DSP等微处理器作为主控器件，在处理器外部结合三维加速度传感器、显示器、时间处理模块、音频模块以及其他功能而实现的一种微处理控制系统，通过相应的语言进行软件程序的编写，从而实现计步器系统的自动控制特性。计步器控制系统的出现是在电子技术以及传感器技术的飞速发展以及趋向成熟后的一个必然产物，其中主要的核心部件——三维加速度传感器不仅依靠经过反复推敲的理论基础，并且需要结合到实际应用中，将理论基础映射到实际的电子线路中，将三个维度的加速度检测通过硬件电路来实现，并通过数字信号输出的形式来实现加速度值的检测输出。在三维角速度传感器出现之前，步数的计量几乎无法实现，人们的很多对于步数计量的想法只能够停留在理论阶段。由于三维角速度传感器这种传感器不仅需要硬件基础，更需要控制器输出驱动信号来读取测量值，因此实现一款基本功能的计步器系统是一个多门专业综合化的课题，它需要设计人员不仅具有硬件电路的设计基础，更要有程序代码开发的经验，不仅如此，还需要对经典物理理论充分掌握才能够设计出性能卓越的计步器控制系统，可以看出要设计出一款性能卓越的计步器控制系统并不是一件简单的事情，本文将以笔者大学期间所掌握的专业知识作为基础，经过多次的尝试、试验、改进和优化，最终实现了一款性价比非常高的智能型计步器控制系统。
智能计步器的国内外发展现状
目前国内外的很多企业或者高校实验课题小组都投入了大量的精力来对高性能的计步器系统进行研究，由于基本的计步功能已经实现了普及化，现在几乎任何一台手机上都能够实现计步的功能，然而要实现更高精度、更高灵敏度的检测性能，无论是国外还是国内都还有一段很长的路要走。前不久国外研发出了一个体积能够小到一个绿豆里大小的计步处理模块，这款高度集成的功能模块不仅内部嵌入了控制器模块，电源管理、传感器也被集成了进去，采用高速的SPI接口进行数据读写，因此能够满足高速的计步要求，尤其是在快速跑动过程中更加适用；而国内的研究小组主要将研究重心放在了大幅度降低其功耗上，这样将其嵌入到智能手机中，将能够很大程度的节约手机电量开销。
本文主要研究内容
本文在计步器发展背景的基础上选择了计步器作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的计步器系统。
当供电后，系统能够自动检测人体走动时产生的步数值，并实现以下指标：
1、计步范围为1~99999；
2、具有RTC实时时间显示功能；
3、具有设置按键，能够对时间进行灵活设置以及步数清零。
方案选择及元器件介绍
主控芯片的选取
在目前单片机市场一片玲琅满目的情境下，给毕业设计的完成带来了很大的便利，在制定好本文的设计目标后，首先需要考虑的就是系统主控器件的选取，结合到本系统要实现的功能，本文制订了选取单片机的两款方案。
方案一：使用美国MicroChip公司研发的PIC16F877单片机，这款单片机是一款被使用时间较长的典型8为单片机，无论是高校还是工业生产中都习惯将其成为PIC单片机，我们常说的PIC单片机是指一类通过内部特定结构实现的稳定度极高、抗电磁干扰能力显著的控制器。这种单片机在一些应用环境较为恶劣的场合非常常见，如路口的交通灯控制系统、工业生产中的主机运行等，在这些环境中，由于机器众多，电磁干扰现象非常严重，因此一些不采取保护措施的单片机就无法正常工作，而PIC单片机在不影响主频速度的情况下，通过改进内部电路结构同时施加一定的屏蔽措施，从而使得它能有条不紊的工作。如果本文选用PIC16F877单片机作为系统的主控，那么系统的稳定度将得到极大的提升，这款单片机另一个优点是具有DIP40双排直插封装可选，这样能够给电路的构建以及实物的焊接具有很大的便利性，不需要小心翼翼地去处理贴片管脚，能够大大促进毕业设计的成功性。另外PIC16F877单片机内部还集成了AD模数转换模块，能够实现高精度的信号采集功能，除此以外也包含定时器、中断以及UART等常用模块。
目录
一、 引言 1
（一） 智能计步器的发展背景 1
（二） 智能计步器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控芯片的选取 3
（二） STC89C51单片机简介 4
（三） ADXL345三维加速度传感器介绍 5
（四） LCD1602液晶显示器介绍 6
（五） DS1302实时时钟芯片 7
三、 硬件系统设计 9
（一） 计步器系统的硬件结构框图设计 9
（二） STC89C51单片机最小系统设计 9
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 10
（三） ADXL345三维加速度传感器电路设计 10
（四） 液晶显示器电路设计 11
（五） DS1302实时时钟芯片电路的设计 12
四、 软件系统设计 12
（一） 计步器系统的软件工作流程设计 13
（二） ADXL345工作流程图上设计 14
（三） 液晶显示器工作流程设计 15
（四） DS1302实时时钟芯片的驱动流程设计 16
五、 实物制作 17
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 附录一 原理图 21
附录二 PCB 22
附录三 元件列表 23
附录四 程序 24
引言
智能计步器的发展背景
随着科学技术的不断发展以及人们对生活品质的不断追求，计步器在人们的生活中以及随处可见了，这种电子器件通常能够辅助人们对走动的步数进行检测和统计，不仅如此它通常还能够实现一些障碍物警告、步速提示以及训练计划等复杂功能。各类人群都对自身的健康状况紧密关注，每天的运动量称为人们密切关注的一个常见指标，而每天所走动的步数最能反映运动量，尤其是一些上班族，很少有时间去健身房进行专业训练，因此大多数智能手机都实现了计步器功能。本文课题的提出就是以此为研究背景，提出通过性价比更高的控制器和三维角速度传感器的合理搭配，来设计一款能够实现更高性能指标的智能计步器控制系统。所谓“计步器控制系统”，实际上是指通过单片机、DSP等微处理器作为主控器件，在处理器外部结合三维加速度传感器、显示器、时间处理模块、音频模块以及其他功能而实现的一种微处理控制系统，通过相应的语言进行软件程序的编写，从而实现计步器系统的自动控制特性。计步器控制系统的出现是在电子技术以及传感器技术的飞速发展以及趋向成熟后的一个必然产物，其中主要的核心部件——三维加速度传感器不仅依靠经过反复推敲的理论基础，并且需要结合到实际应用中，将理论基础映射到实际的电子线路中，将三个维度的加速度检测通过硬件电路来实现，并通过数字信号输出的形式来实现加速度值的检测输出。在三维角速度传感器出现之前，步数的计量几乎无法实现，人们的很多对于步数计量的想法只能够停留在理论阶段。由于三维角速度传感器这种传感器不仅需要硬件基础，更需要控制器输出驱动信号来读取测量值，因此实现一款基本功能的计步器系统是一个多门专业综合化的课题，它需要设计人员不仅具有硬件电路的设计基础，更要有程序代码开发的经验，不仅如此，还需要对经典物理理论充分掌握才能够设计出性能卓越的计步器控制系统，可以看出要设计出一款性能卓越的计步器控制系统并不是一件简单的事情，本文将以笔者大学期间所掌握的专业知识作为基础，经过多次的尝试、试验、改进和优化，最终实现了一款性价比非常高的智能型计步器控制系统。
智能计步器的国内外发展现状
目前国内外的很多企业或者高校实验课题小组都投入了大量的精力来对高性能的计步器系统进行研究，由于基本的计步功能已经实现了普及化，现在几乎任何一台手机上都能够实现计步的功能，然而要实现更高精度、更高灵敏度的检测性能，无论是国外还是国内都还有一段很长的路要走。前不久国外研发出了一个体积能够小到一个绿豆里大小的计步处理模块，这款高度集成的功能模块不仅内部嵌入了控制器模块，电源管理、传感器也被集成了进去，采用高速的SPI接口进行数据读写，因此能够满足高速的计步要求，尤其是在快速跑动过程中更加适用；而国内的研究小组主要将研究重心放在了大幅度降低其功耗上，这样将其嵌入到智能手机中，将能够很大程度的节约手机电量开销。
本文主要研究内容
本文在计步器发展背景的基础上选择了计步器作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片以及其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的计步器系统。
当供电后，系统能够自动检测人体走动时产生的步数值，并实现以下指标：
1、计步范围为1~99999；
2、具有RTC实时时间显示功能；
3、具有设置按键，能够对时间进行灵活设置以及步数清零。
方案选择及元器件介绍
主控芯片的选取
在目前单片机市场一片玲琅满目的情境下，给毕业设计的完成带来了很大的便利，在制定好本文的设计目标后，首先需要考虑的就是系统主控器件的选取，结合到本系统要实现的功能，本文制订了选取单片机的两款方案。
方案一：使用美国MicroChip公司研发的PIC16F877单片机，这款单片机是一款被使用时间较长的典型8为单片机，无论是高校还是工业生产中都习惯将其成为PIC单片机，我们常说的PIC单片机是指一类通过内部特定结构实现的稳定度极高、抗电磁干扰能力显著的控制器。这种单片机在一些应用环境较为恶劣的场合非常常见，如路口的交通灯控制系统、工业生产中的主机运行等，在这些环境中，由于机器众多，电磁干扰现象非常严重，因此一些不采取保护措施的单片机就无法正常工作，而PIC单片机在不影响主频速度的情况下，通过改进内部电路结构同时施加一定的屏蔽措施，从而使得它能有条不紊的工作。如果本文选用PIC16F877单片机作为系统的主控，那么系统的稳定度将得到极大的提升，这款单片机另一个优点是具有DIP40双排直插封装可选，这样能够给电路的构建以及实物的焊接具有很大的便利性，不需要小心翼翼地去处理贴片管脚，能够大大促进毕业设计的成功性。另外PIC16F877单片机内部还集成了AD模数转换模块，能够实现高精度的信号采集功能，除此以外也包含定时器、中断以及UART等常用模块。
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