单片机的多功能计步器控制系统设计与实现
摘 要本课题在当前多功能计步器系统的研究基础上，提出了一种可以通过AT89C51单片机作为主控来实现的一款新型多功能计步器控制系统，在其内部使用了新型模块三维加速度传感器、RTC时钟模块等作为核心部分，构建了其硬件框架结构，实现了步数精确检测和计量、时间显示等功能，经过了系统仿真以及专业仪器测量发现这款系统的实现大大降低了目前相关产品的总体功耗，在硬件上由于大多数使用的都是新型并且价格低廉的芯片模块，大大压缩了总体系统的生产成本。本系统最终经过了多方面的测试和发现问题后的不断改进完善，最终呈现出了很高的实用性，推向市场后将淘汰大量现有相关产品。
目录
一、 引言 1
（一） 多功能计步器的发展背景 1
（二） 多功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） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51单片机 4
（三） ADXL345三维加速度传感器介绍 5
（四） LCD1602型显示器概述 6
（五） DS1302型时钟芯片介绍 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 多功能计步器系统的硬件结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
1. 时钟电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） ADXL345三维加速度传感器电路设计 10
（四） 显示器外围电路设计 10
（五） DS1302时钟电路设计 11
（六） 按键电路 12
四、 软件系统设计 13
（一） 多功能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） 显示器工作流程设计 14
1. 判忙函数?? 14
2. 写数据流程?? 15
3. 写指令流程?? 15
（四） DS1302芯片软件工作流程设计 16
五、 实物制作 18
（一） 硬件调试 18
（二） 调试总结 20
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总 结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB 25
附录三 元件列表 26
附录四 程序 27
附录五 实物图 44
引言
多功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多功能计步器控制系统。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。
多功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
本文主要内容?本课题主要以多功能计步器控制系统作为研究对象，设计了一款采用51单片机作为主控芯片的自动控制系统，设计的电路模块主要包括51单片机最小系统电路、液晶屏电路、按键电路、ADXL345三维加速度传感器等电路的设计。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。
论文的撰写采用了层次分明的模块化设计，撰写内容分为引言章节、元器件选择章节、硬件设计章节以及软件设计章节。
方案选择及元器件介绍
常用单片机的比较与选择
本文结合了自身当前的知识掌握情况以及对于单片机的学习经历，最终制订了两个单片机的待选方案。
第一个方案是选用ATMEL公司的AT89C51单片机，C51单片机的数据处理宽度为八位，如果采用该单片机作为本次毕业设计的主控单片机，那么将能够带来极高的性价比，目前AT89C51单片机的平均价格为2RMB左右，作为系统的主控核心，成本能够控制在如此之低的水平，那么能够大大地提高控制系统的性价比。另外大学三年中对于AT89C51单片机的学习过程中，对其内部21个寄存器的配置以及使用已经有了很充分的经验和操作经历，因此如果使用AT89C51单片机，那么将能够给本次的毕业设计的成功带来足够的保障性。在电路构建方面以及PCB布局方面，由于AT89C51单片机体积较大，40个管脚全部采用直插形式，没有任何贴片引脚，因此对于PCB的布局以及焊接工作，能够大大降低设计难度，并且也能够在一定程度上增强系统的稳定性。
第二个方案时选用ATMEL公司的AVR单片机，所谓的AVR单片机指的是一种经过技术改进的并且采用RISC指令结构的单片机，其名称AVR的由来——该单片机是由ATMEL公司的A和V两位员工（A和V是他们名字的首字母）共同设计出来的，在51单片机的基础上，去除51单片机的复杂指令结构，而采用RISC指令结构，因此去RISC的首字母R，将A、V和R三个字母相连，这就是AVR单片机名称的由来。AVR单片机在一定意义上来讲，是51单片机的一种改进品，因为随着单片机技术的飞速发展，一开始设计人员威乐增强51单片机的稳定性，因此将外部输入的时钟频率经过多次分频，使得51单片机的主频变得非常小，通过牺牲主频的方式来保证单片机的稳定性。而AVR单片机经过了内部结构的改进，使得单片机不用经过大幅度分频，就可在较高速的主频频率下就能够稳定的工作，因此AVR单片机的运行速度相对来说比51单片机要高。AVR单片机的管脚封装形式与51单片机相同，同样能够大大有利于系统电路以及PCB布局的设计。
目录
一、 引言 1
（一） 多功能计步器的发展背景 1
（二） 多功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） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51单片机 4
（三） ADXL345三维加速度传感器介绍 5
（四） LCD1602型显示器概述 6
（五） DS1302型时钟芯片介绍 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 多功能计步器系统的硬件结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
1. 时钟电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） ADXL345三维加速度传感器电路设计 10
（四） 显示器外围电路设计 10
（五） DS1302时钟电路设计 11
（六） 按键电路 12
四、 软件系统设计 13
（一） 多功能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） 显示器工作流程设计 14
1. 判忙函数?? 14
2. 写数据流程?? 15
3. 写指令流程?? 15
（四） DS1302芯片软件工作流程设计 16
五、 实物制作 18
（一） 硬件调试 18
（二） 调试总结 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
总 结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB 25
附录三 元件列表 26
附录四 程序 27
附录五 实物图 44
引言
多功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多功能计步器控制系统。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。
多功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
本文主要内容?本课题主要以多功能计步器控制系统作为研究对象，设计了一款采用51单片机作为主控芯片的自动控制系统，设计的电路模块主要包括51单片机最小系统电路、液晶屏电路、按键电路、ADXL345三维加速度传感器等电路的设计。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。
论文的撰写采用了层次分明的模块化设计，撰写内容分为引言章节、元器件选择章节、硬件设计章节以及软件设计章节。
方案选择及元器件介绍
常用单片机的比较与选择
本文结合了自身当前的知识掌握情况以及对于单片机的学习经历，最终制订了两个单片机的待选方案。
第一个方案是选用ATMEL公司的AT89C51单片机，C51单片机的数据处理宽度为八位，如果采用该单片机作为本次毕业设计的主控单片机，那么将能够带来极高的性价比，目前AT89C51单片机的平均价格为2RMB左右，作为系统的主控核心，成本能够控制在如此之低的水平，那么能够大大地提高控制系统的性价比。另外大学三年中对于AT89C51单片机的学习过程中，对其内部21个寄存器的配置以及使用已经有了很充分的经验和操作经历，因此如果使用AT89C51单片机，那么将能够给本次的毕业设计的成功带来足够的保障性。在电路构建方面以及PCB布局方面，由于AT89C51单片机体积较大，40个管脚全部采用直插形式，没有任何贴片引脚，因此对于PCB的布局以及焊接工作，能够大大降低设计难度，并且也能够在一定程度上增强系统的稳定性。
第二个方案时选用ATMEL公司的AVR单片机，所谓的AVR单片机指的是一种经过技术改进的并且采用RISC指令结构的单片机，其名称AVR的由来——该单片机是由ATMEL公司的A和V两位员工（A和V是他们名字的首字母）共同设计出来的，在51单片机的基础上，去除51单片机的复杂指令结构，而采用RISC指令结构，因此去RISC的首字母R，将A、V和R三个字母相连，这就是AVR单片机名称的由来。AVR单片机在一定意义上来讲，是51单片机的一种改进品，因为随着单片机技术的飞速发展，一开始设计人员威乐增强51单片机的稳定性，因此将外部输入的时钟频率经过多次分频，使得51单片机的主频变得非常小，通过牺牲主频的方式来保证单片机的稳定性。而AVR单片机经过了内部结构的改进，使得单片机不用经过大幅度分频，就可在较高速的主频频率下就能够稳定的工作，因此AVR单片机的运行速度相对来说比51单片机要高。AVR单片机的管脚封装形式与51单片机相同，同样能够大大有利于系统电路以及PCB布局的设计。
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