步行计步器设计
摘 要步行能降低血压，增强肌肉力量，预防骨质疏松症；能促进全身血液循环，改善大脑与植物神经功能，预防老年痴呆症。健身锻炼欲达有效、安全，关键是选择一个适宜的运动量。适量的运动，感觉舒适，效果较好，且容易坚持。运动量不足只能起安慰作用，可导致主观感觉的改善。过量运动可引起过度疲劳，影响运动后恢复，运动效果下降，医疗保健价值降低，甚至引起伤害。?计步器通过统计步数、距离、速度、时间等数据，测算卡路里或热量消耗，用以掌控运动量，防止运动量不足，或运动过量的一种工具。电子计步器的工作核心就是加速度传感器，旧一代的2D振动传感器其实就是一个平衡锤在振动时平衡被破坏使一个触点能出现合/开动作，由电子计数器记录并显示就完成了主要功能，其他的热量消耗，路程换算均由电路板本身完成，也称作机械式计步器。本文是一个针对人体步行的规律的计步系统，对腿部运动加速度以及手臂运动加速度的最大值检测从而得到步数。本文章通过理论分析以及硬件设计及连接以及软件的编程初步完成了对于人体运动时的步数进行较为准确的计数，以及运动时消耗的能量。实现了智能设定步数的数目以及达到训练时的报警设置，以及通过无线传输模块与电脑进行通信的功能。从而成为实现实时在线计算运动量的硬件产品。
目 录
摘 要 IV
Abstract V
第1章 绪论 1
1.1课题研究的意义及基础 1
1.2课题主要内容及论文结构 2
本章小结 2
第2章 系统总体设计 3
2.1传感器要素分析 3
2.1.1传感器通信协议及中断 3
2.1.2传感器触发器模式及自测功能 5
2.1.3传感器电源去偶 6
2.1.4 ADXL345偏移校准 6
2.2单片机要素分析 8
2.3键盘要素分析 11
2.4液晶要素分析 11
2.4.1汉字取模软件 11
2.4.2液晶模块 13
2.4.3液晶与单片机I2C接口 14
2.5串口无线通讯模块要素 15
2.5.1串口无线通讯模块及其工作原理 15
2.5.2 IO口控制指令说明及模块多机通讯
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
16
本章小结 17
第3章 热量消耗以及参数设置 18
3.1能量消耗计算公式及标准 18
3.1.1形态测量及步行测试 18
3.1.2卡路里热量计算 19
3.2步伐参数算法 20
3.2.1步伐参数 20
3.2.2距离参数 22
本章小结 23
第4章 角度传感器与加速度传感器的优劣点及可取性比较 24
4.1角度传感器的工作原理及应用优点 24
4.2 ADXL345三轴加速度传感器工作原理及特点 25
4.3选取ADXL345三轴加速度传感器的理由 26
本章小结 27
第5章 程序设计与系统调试 28
5.1系统软件设计总框图 28
5.2电源模块及单片机液晶模块 29
5.3数模转换模块调试及串口无线通讯模块调试 30
本章小结 31
第6章 总结与展望 32
6.1总结 32
6.2展望 32
致谢 34
附录一 源程序 37
附录二 实物图 74
附录三 原理图 75
中英文翻译 77
第1章 绪论
计步器是一个流行的锻炼进度监控,可以激励人们挑战自我,增进身体健康,减肥的机器。使用复合机械开关测试早期设计的步骤,用一个简单的计数器。设备振动时,可以听到金属球敲击的声音。
先进的计步器使用微机电系统惯性传感器和先进的软件准确测试真正的速度。惯性传感器可以更准确地检测速度并且保证检测得到的错误率比较低。惯性传感器的特点是成本低廉、尺寸精致和功耗节能。因此越来越多的携带式消费电子设备开始具备计步器计算能量消耗的功能,比如手机等终端设备。AADI公司3轴加速度计ADXL335， ADXL345和 ADXL346成本低廉、尺寸精致和功耗节能非常适合这个功能的实现。
1.1课题研究的意义及基础
意义：随着数字的出现,越来越多的手持设备,如手机mp3和PMP,增加健康和运动机能。计步器步行作为一种测量仪器可以计算步骤和能量的消耗,已经成为在手持设备增加的功能之一。对于许多人喜欢运动、散步、跑步或散步每一天已经成为一种习惯,但是对于每天锻炼,消耗更多的卡路里不明白。只要你把三维传感电子计步器,它会显示你每天所需要的步骤和消耗更多的热量,使运动更加直观。
使用一个计步器可以刺激运动的动力和热情。太久坐不运动越多,住在人,计步器的帮助就越大。计步器不是一个神奇的东西,但是它能在你自身没有监督的情况下完成自己定下的运动目标量。
基础：通过特征参数的提取人的行走步态加速度信号是一个简单和可行的步态分析方法。步行运动由三部分组成,即向前,横向和垂直。ADXL345是一个三轴(X,Y,Z轴)的数字输出加速度器和可以对应于三个方向的运动。
步行运动组件的速度,本文添加一个步骤循环速度变化规律,和离开地面一步的开始,在这个时候,因为垂直地面反作用力 。
1.2课题主要内容及论文结构
设计步行计步器使得人体每次走一步传感器将得到的数据传给单片机，然后判断是否达到指定的标准然后记一次数传到液晶显示器上面。并且计算消耗的量是否达到设定的值。并通过蓝牙传送到电脑上。并且能清除总的步数以及此次的步数，设定的步数通过矩阵键盘输入。
能够实现稳定准确排除干扰每次走一步累计加一。设立一个临界值以及临界时间防止轻微的误操作引起的步数自动加一，从而发生误差。
能够及时采集信号并且实时显示在SSD1306液晶上面，并且显示消耗的能量是否达到之前矩阵键盘设置的值。
将液晶显示的数据通过蓝牙模块传送到电脑上。
论文结构：本文第一章首先介绍当前国内的步行计步器的主要结构以及主要芯片，并且介绍实现的方法以及主流芯片和技术。随后第二章分析本课题研究的总体设计以及要求，并且根据相关技术要求进行研究与分析。然后设计硬件电路的各个模块以及他们的工作原理。第三章通过查阅文献严谨分析步行计步器的理论算法以及判定方式和热量消耗分析学习系统的理论知识设计各项环节。第四章通过分析角度传感器与加速度传感器来理性分析主控芯片的优缺点并加以对比根据实际情况来做出选择并说明理由。第五章通过各个模块的调节来分析其运行时出现的问题及结果并加以总结，并且讲述软件各个模块的设计以及思路并用结构图的形式显示逻辑思路。
本章小结
本节主要介绍了计步器的功能以及计步器对人们的帮助和现阶段的计步器的主要组成。接着介绍了计步器的意义以及硬件基础。最后对于本文结构有了一个简单地介绍与分析。
第2章 系统总体设计
成品由传感器模块，89c51单片机最小系统，矩阵键盘，串口无线通讯模块组成。由传感器产生的信号返回到单片机并且由单片机判断是否符合设定值稳定，准确，及时的计数。
目 录
摘 要 IV
Abstract V
第1章 绪论 1
1.1课题研究的意义及基础 1
1.2课题主要内容及论文结构 2
本章小结 2
第2章 系统总体设计 3
2.1传感器要素分析 3
2.1.1传感器通信协议及中断 3
2.1.2传感器触发器模式及自测功能 5
2.1.3传感器电源去偶 6
2.1.4 ADXL345偏移校准 6
2.2单片机要素分析 8
2.3键盘要素分析 11
2.4液晶要素分析 11
2.4.1汉字取模软件 11
2.4.2液晶模块 13
2.4.3液晶与单片机I2C接口 14
2.5串口无线通讯模块要素 15
2.5.1串口无线通讯模块及其工作原理 15
2.5.2 IO口控制指令说明及模块多机通讯
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本章小结 17
第3章 热量消耗以及参数设置 18
3.1能量消耗计算公式及标准 18
3.1.1形态测量及步行测试 18
3.1.2卡路里热量计算 19
3.2步伐参数算法 20
3.2.1步伐参数 20
3.2.2距离参数 22
本章小结 23
第4章 角度传感器与加速度传感器的优劣点及可取性比较 24
4.1角度传感器的工作原理及应用优点 24
4.2 ADXL345三轴加速度传感器工作原理及特点 25
4.3选取ADXL345三轴加速度传感器的理由 26
本章小结 27
第5章 程序设计与系统调试 28
5.1系统软件设计总框图 28
5.2电源模块及单片机液晶模块 29
5.3数模转换模块调试及串口无线通讯模块调试 30
本章小结 31
第6章 总结与展望 32
6.1总结 32
6.2展望 32
致谢 34
附录一 源程序 37
附录二 实物图 74
附录三 原理图 75
中英文翻译 77
第1章 绪论
计步器是一个流行的锻炼进度监控,可以激励人们挑战自我,增进身体健康,减肥的机器。使用复合机械开关测试早期设计的步骤,用一个简单的计数器。设备振动时,可以听到金属球敲击的声音。
先进的计步器使用微机电系统惯性传感器和先进的软件准确测试真正的速度。惯性传感器可以更准确地检测速度并且保证检测得到的错误率比较低。惯性传感器的特点是成本低廉、尺寸精致和功耗节能。因此越来越多的携带式消费电子设备开始具备计步器计算能量消耗的功能,比如手机等终端设备。AADI公司3轴加速度计ADXL335， ADXL345和 ADXL346成本低廉、尺寸精致和功耗节能非常适合这个功能的实现。
1.1课题研究的意义及基础
意义：随着数字的出现,越来越多的手持设备,如手机mp3和PMP,增加健康和运动机能。计步器步行作为一种测量仪器可以计算步骤和能量的消耗,已经成为在手持设备增加的功能之一。对于许多人喜欢运动、散步、跑步或散步每一天已经成为一种习惯,但是对于每天锻炼,消耗更多的卡路里不明白。只要你把三维传感电子计步器,它会显示你每天所需要的步骤和消耗更多的热量,使运动更加直观。
使用一个计步器可以刺激运动的动力和热情。太久坐不运动越多,住在人,计步器的帮助就越大。计步器不是一个神奇的东西,但是它能在你自身没有监督的情况下完成自己定下的运动目标量。
基础：通过特征参数的提取人的行走步态加速度信号是一个简单和可行的步态分析方法。步行运动由三部分组成,即向前,横向和垂直。ADXL345是一个三轴(X,Y,Z轴)的数字输出加速度器和可以对应于三个方向的运动。
步行运动组件的速度,本文添加一个步骤循环速度变化规律,和离开地面一步的开始,在这个时候,因为垂直地面反作用力 。
1.2课题主要内容及论文结构
设计步行计步器使得人体每次走一步传感器将得到的数据传给单片机，然后判断是否达到指定的标准然后记一次数传到液晶显示器上面。并且计算消耗的量是否达到设定的值。并通过蓝牙传送到电脑上。并且能清除总的步数以及此次的步数，设定的步数通过矩阵键盘输入。
能够实现稳定准确排除干扰每次走一步累计加一。设立一个临界值以及临界时间防止轻微的误操作引起的步数自动加一，从而发生误差。
能够及时采集信号并且实时显示在SSD1306液晶上面，并且显示消耗的能量是否达到之前矩阵键盘设置的值。
将液晶显示的数据通过蓝牙模块传送到电脑上。
论文结构：本文第一章首先介绍当前国内的步行计步器的主要结构以及主要芯片，并且介绍实现的方法以及主流芯片和技术。随后第二章分析本课题研究的总体设计以及要求，并且根据相关技术要求进行研究与分析。然后设计硬件电路的各个模块以及他们的工作原理。第三章通过查阅文献严谨分析步行计步器的理论算法以及判定方式和热量消耗分析学习系统的理论知识设计各项环节。第四章通过分析角度传感器与加速度传感器来理性分析主控芯片的优缺点并加以对比根据实际情况来做出选择并说明理由。第五章通过各个模块的调节来分析其运行时出现的问题及结果并加以总结，并且讲述软件各个模块的设计以及思路并用结构图的形式显示逻辑思路。
本章小结
本节主要介绍了计步器的功能以及计步器对人们的帮助和现阶段的计步器的主要组成。接着介绍了计步器的意义以及硬件基础。最后对于本文结构有了一个简单地介绍与分析。
第2章 系统总体设计
成品由传感器模块，89c51单片机最小系统，矩阵键盘，串口无线通讯模块组成。由传感器产生的信号返回到单片机并且由单片机判断是否符合设定值稳定，准确，及时的计数。
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