基于單片機(jī)的計(jì)步器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊麗萍

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的計(jì)步器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊麗萍

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)健身需求也越來(lái)越高，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的計(jì)步器有著重要的意義，計(jì)步器系統(tǒng)中附帶著日歷時(shí)鐘電路，通過(guò)該電路能夠顯示時(shí)間相關(guān)信息。按照步數(shù)從而對(duì)距離以及速度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)步器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本低，具有重大的實(shí)用價(jià)值，能夠滿足人們的需求。

計(jì)步器 單片機(jī) 日歷時(shí)鐘電路

1 引言

最近的這幾年，隨著社會(huì)的生活水平提高，人們逐漸提高了健康意識(shí)，對(duì)于鍛煉身體的重要性得到了更多人重視，通過(guò)計(jì)步器達(dá)到健身的目的，這種方式相比于其他的健身方式比較簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)通過(guò)計(jì)步器人們能夠很明白地了解個(gè)人的運(yùn)動(dòng)量，因此計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)以及集成電路的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域都用到了單片機(jī)，同時(shí)設(shè)計(jì)出來(lái)的芯片功能也在不斷地提高，設(shè)計(jì)的體積也逐漸減小，功能損耗降低.

2 計(jì)步器的分類

按照結(jié)構(gòu)的不同，計(jì)步器能夠分類為機(jī)械式以及電子式。其中的機(jī)械式計(jì)步器的工作原理指的是對(duì)振動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程，而轉(zhuǎn)化的目標(biāo)信號(hào)是電脈沖信號(hào)，接著利用所采集到的電脈沖信號(hào)對(duì)人們所步行的步數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。機(jī)械式計(jì)步器的特點(diǎn)是資金成本投入低、然而有著比較低的準(zhǔn)確率以及靈敏度。另一種計(jì)步器指的就是電子式計(jì)步器，該計(jì)步器是根據(jù)加速度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，工作的原理主要是通過(guò)是根據(jù)對(duì)人體行走的過(guò)程中的步態(tài)加速度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，接著按照特定的軟件算法從而得出人體行走過(guò)程中總的步數(shù)。相比于機(jī)械式的計(jì)步器，電子式計(jì)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(jì)步器原理

隨著人們的健康意識(shí)逐漸增強(qiáng)，市場(chǎng)上的計(jì)步器種類越來(lái)越多。現(xiàn)今為止，按照計(jì)步器的實(shí)現(xiàn)原理能夠?qū)?shí)現(xiàn)原理分為幾種：

（1）機(jī)械式的計(jì)步裝置，該裝置的實(shí)現(xiàn)原理是充分用到了人體在行走的時(shí)候產(chǎn)生的振動(dòng)從而造成計(jì)步器里面的彈簧片以及彈力小球發(fā)生振動(dòng)的情況進(jìn)而形成電子脈沖，計(jì)步器內(nèi)部處理器計(jì)步是根據(jù)是否存在電子脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即使這種計(jì)步方式所投入的成本不高，然而這些計(jì)步所得到的結(jié)果不是很準(zhǔn)確。

（2）第二種指的是基于Android平臺(tái)的計(jì)步器，通過(guò)無(wú)線通訊的相關(guān)技術(shù)把人體行走的步數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)設(shè)備，這種方式實(shí)現(xiàn)的計(jì)步有著很低的準(zhǔn)確率。

（3）第三種指的是加速度式的計(jì)步器，根據(jù)加速度傳感器，將參與者在步行過(guò)程中所涉及的多個(gè)方向的加速度的數(shù)據(jù)信息獲取，按照特定算法從而計(jì)算出參與者的步數(shù)。即使計(jì)步器的誕生在很早以前就出現(xiàn)了，然而很多的計(jì)步器在功能設(shè)計(jì)上比較單一，同時(shí)精度也比較低，無(wú)法做到精確的計(jì)步這是十分常見(jiàn)現(xiàn)象。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的模塊組成由顯示模塊、單片機(jī)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(shè)計(jì)的計(jì)步器主要是以進(jìn)步為最終的目的，功能實(shí)現(xiàn)方面比較簡(jiǎn)易，主要實(shí)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(dāng)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(guān)系，只有主處理器芯片和顯示器是匹配以后才可以驅(qū)動(dòng)顯示器從而顯示步數(shù)。通常而言，可以被單片機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)串行口實(shí)現(xiàn)的，第二種傳輸顯示的數(shù)據(jù)是通過(guò)并口實(shí)現(xiàn)的。串行口傳輸數(shù)據(jù)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是傳輸數(shù)據(jù)的距離比較長(zhǎng)，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(guò)串行口傳輸?shù)乃俣葧?huì)比較慢。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(gè)比特位傳輸?shù)模虼瞬⒖趥鬏數(shù)乃俦容^快，然而傳輸?shù)木嚯x比較短同時(shí)抗干擾能力相對(duì)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(jī)交互電路設(shè)計(jì)

其中人機(jī)交互電路中所包括的模塊主要有鍵盤電路以及語(yǔ)音電路、顯示電路等，該人機(jī)交互電路的功能實(shí)現(xiàn)涉及到了將計(jì)步器和外部的信息進(jìn)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(lái)。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(shí)現(xiàn)還包括了語(yǔ)音輸出的功能，當(dāng)人們?cè)谶M(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候能夠通過(guò)語(yǔ)言功能獲得所需要的語(yǔ)音提示。語(yǔ)音芯片的型號(hào)選擇的是ISD1820，工作電壓是直流電壓范圍是3V到5V，語(yǔ)音輸出模塊中的語(yǔ)音錄放能夠持續(xù)到20秒，而且還可以循環(huán)播放語(yǔ)音以及單邊播放等，這種語(yǔ)音播放的形式能夠通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制。語(yǔ)音錄制的實(shí)現(xiàn)前提是搭建語(yǔ)音按鍵控制電路，根據(jù)按鍵以及麥克進(jìn)行語(yǔ)音錄制，接著再把按鍵控制電路改裝成單片機(jī)控制的語(yǔ)音電路。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 采樣頻率設(shè)定

通過(guò)收集的相關(guān)資料顯示，人在行走的時(shí)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(yùn)動(dòng)形式是跑步的話，那么運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)確地顯示出加速度信號(hào)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(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的計(jì)步器系統(tǒng)所選擇的單片機(jī)型號(hào)是STC12LESA60SZ，系統(tǒng)中所需要的按鍵數(shù)目不是很多，所以當(dāng)在按鍵電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，選擇的設(shè)計(jì)方法不是行列式鍵盤，而是選擇了獨(dú)立式按鍵設(shè)計(jì)方法，這種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)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(dāng)按鍵沒(méi)有被按下的時(shí)候，電路中的1/O口的電平就會(huì)變成高電平。如果其中的一個(gè)按鍵被按下的時(shí)候，按鍵控制電路中的1/0的電平就會(huì)是低電平，當(dāng)程序中進(jìn)行到查詢的時(shí)候如果發(fā)現(xiàn)FO口是低電平的，那么程序就會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)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(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中總共消耗的能量的計(jì)算。按下S7鍵用戶可以輸入預(yù)設(shè)定的步數(shù)，按下S8鍵用戶能夠?qū)P3實(shí)行播放與停止的操作。

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的計(jì)步器對(duì)健身而言十分重要。本文的液晶顯示模塊以及語(yǔ)音輸出電路能夠?qū)崿F(xiàn)信息提示，按鍵電路中，當(dāng)用戶按下具體的按鍵，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)鍵的類型從而觸發(fā)對(duì)應(yīng)的程序。按鍵電路對(duì)于人們提取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)十分有利，對(duì)于人們的日常生活都起到了很大的作用。

[1]杜波, 張卓, 尹璐. 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易計(jì)步器設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2015(32):19-20

[2]盧文, 陳慈發(fā). 基于STM32和LIS3DSH的高精度計(jì)步器設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2016(3):70-73

[3]柳平增, 丁為民, 汪小旵,等. 奶牛發(fā)情期自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[C].中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì). 2005:48-51

[4]胡東旭, 蔡文超. 基于Android的人體運(yùn)動(dòng)計(jì)步器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù), 2016, 12(15)