基于加速度传感器ADXL345的计步器设计解读

第1页基于加速度传感器ADXL345的计步器设计摘要：计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。计步器功能可以根据计算人的运动情况来分析人体的健康状况。而人的运动情况可以通过很多特性来进行分析。与传统的机械式传感器不同，ADXL345是电容式三轴传感器，由它捕获人体运动时加速度信号，更加准确。信号通过低通滤波器滤波，由单片机内置A/D转换器对信号进行采样、A/D转换。软件采用自适应算法实现计步功能，减少误计数，更加精确。单片机STC89C52控制液晶显示计步状态。整机工作电流只有1-1.5mA，实现超低功耗。关键词：计步器；加速度传感器；ADXL345；低功耗0前言随着社会的发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们也越来越关注自己的健康。计步器作为一种测量仪器，可以计算行走的步数和消耗的能量，所以人们可以定量的制定运动方案来健身，并根据运行情况来分析人体的健康状况，因而越发流行。手持式的电子计步器是适应市场需求的设计，使用起来简单方便。计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。电子计步器主要组成部分是振动传感器和电子计数器。步行的时候人的重心会上下移动。以腰部的上下位移最为明显，所以记步器挂在腰带上最为适宜。所谓的振动传感器其实就是一个平衡锤在上下振动时平衡被破坏使一个触点能出现通/断动作，由电子计数器完成了主要的记录与显示功能，其他的属于热量消耗，路程换算均由电路完成。计步器中一般采用一种加速度计来感受外界的震动。常用的加速度计原理如下：在一段塑料管中密封着一小块磁铁，管外缠绕着线圈，当塑料管运动时，磁铁由于惯性在管中反向运动，切割线圈，由于电磁感应，线圈中产生电流，人体运动时，上下起伏的加速度近似为正弦过程，线圈的输出电流也是正弦波，测量正弦波的频率就可以得出运动的步数，再计算的出速度，距离，和消耗卡路里。第2页1总体方案设计1.1设计要求（1）掌握加速度传感器ADXL345的工作原理。（2）掌握LCD1602的工作原理及编程方法。（3）该系统能够有效的检测人体步行动作。(4)能够显示并且记录单位时间内的步数，一段时间内总步数，行走的距离以及消耗的热量。(5)使用单片机技术处理数据。1.2单片机芯片的选择方案和论证采用AT89S51芯片作为硬件核心，内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，所以在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。采用STC89C52芯片,STC89C52是一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，具有8K的可编程Flash存储器。同样具有AT89S51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏,因此选择采用STC89C52作为主控制系统核心。1.3显示模块选择方案和论证方案一：采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字合适,采用动态扫描法与单片机连接时,虽然占用的单片机口线少，但连线还需要花费一点时间，所以也不用此种作为显示。方案二：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,若采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以在此也不用此种作为显示。方案三：采用LCD1602液晶显示屏；它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。1602LCD可以显示的内容为16X2,即可以显示两行。该液晶显示屏的显示功能强大,内置192种字符，可显示大量符号、数字,清晰可见,而且功率消耗小寿命长抗干扰能力强。综上,在此设计中采用1602液晶显示屏。第3页1.4传感器的选择方案和论证方案一：选择机械式振动传感器机械式振动传感器内部有一个平衡锤，当传感器振动时，平衡被破坏，如此会造成上下触点的通断。佩戴者在跑步过程中，身体起伏重心高低产生变化，计步器内部的振动传感器就会将这一变化转换为数字量送至控制单元，从而获得佩戴者的运动信息。机械式振动传感器原理简单、精度和成本低，适用于振幅较大的场合。方案二：选择加速度传感器三轴加速度传感器分为压阻式，压电式和电容式。加速度的变化能够改变电阻、电压或者电容的变化，从而获得空间位置三个垂直方向的加速度分量。佩戴者在跑步过程中，身体上下起伏，计步器内部的微控制器读取三轴加速度传感器的三组模拟量，通过计步算法分析，获取运动信息。三轴加速度传感器具有精度高、反应速度快、通讯协议简单可靠等特点，广泛使用于汽车、数码产品、航天设备等领域。方案三：选择压力传感器压力传感器是将压力的变化转化为电压的变化。利用这一特性，可将压力传感器内置在鞋的底部，当用户在行进过程中，压力传感器受到的压力不同（抬脚时脚对鞋无压力，放脚时脚对鞋有持续压力），这样，计步器的主控单元读取压力值，经过计步算法即可判断运动状态。为选择一款最适合本课题的计步传感器将三种传感器对比如下表：表1三种传感器对比表类型机械式振动传感器加速度传感器压力传感器工作电流5mA30mA--工作精度0.1g0.002g--价格（元）1.0元5.0元--目前内置于鞋底的压力传感器属于柔性传感器。在2008年北京奥运会上曾将它用于检测运动员的蹬地力、蹬地时间、足底接触形状、运动速度、离心力等信息，以便指导运动员取得更好的成绩。这种传感器价格昂贵，设计难度较大，不适合本设计。机械设振动传感器应用于早期的计步器，测量精度低，误判、漏判严重，不符合本课题高精度的设计原则。随着加速度传感器的工艺逐渐成熟，测量精度也逐渐提高，同时也有很高的灵敏度，功耗已达到微安级别，温度漂移小，具有良好的稳定性，随着市场的大量使用，价格也降第4页了下来，加速度传感器非常适合移动设备应用。综上，加速度传感器符合本课题的设计理念。表2列出了不同型号的三轴加速度传感器的特性。表2加速度传感器特性对比表加速度计代表型号LSM303DLHMPU-6050ADXL345工作电流0.83mA500uA150uA精度0.0003g0.0003g0.008g价格（元）40.050.03.0结合价格、功耗和精度等多方面考虑，本课题选择的三轴加速度传感器ADXL345作为计步传感器。1.5系统最终方案设计该计步器是由ADXL345加速度传感器、STC89C52单片机以及LCD1602显示屏等组成。传感器采集数据，经内部A/D转换后，输入单片机内部，将数据处理后输出至液晶显示器显示。ADXL345传感器采集器微处理器STC89C52单片机LCD1602数据显示图1总体方框图2硬件电路设计2.1系统硬件概述本电路是以STC89C52单片机为控制核心，该芯片具有在线编程功能，功耗低，能在3.3V的超低压下工作，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案；加速度传感器采用ADXL345，它是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，测量范围达正负16g，数字输出数据为16位的二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或IIC数字接口访问。显示模块使用LCD1602液晶显示屏来实现,该显示屏具有低功耗、寿命长、可靠性高，可供显示的字符较多，控制指令简单的特点，其工作电压为5V。2.2主要单元电路的设计第5页2.2.1系统主控制模块的设计本设计中单片机主要负责对外设的控制和各个功能模块间的协调，没有复杂的数据计算，因此，8位的52系列单片机足以胜任，它具有体积小、控制功能强、成本低，易扩展，可靠性好、使用温度范围宽等众多优点。通常使用的国产STC89C52单片机以其低廉的价格以及较出色的性能成了很多控制系统的首选。它具有丰富的内部资源，较大的数据存储区和程序存储区。同时，由于学习52单片机容易上手，指令简单易懂，编程灵活，在本设计中具有较高的应用价值。一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路、电源指示灯和外部扩展接口等部分组成，本系统也不例外，当单片机具备了这些最基本的条件后，就可以正常工作了。STC89C52单片机外部结构图如图2所示。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427STC89C52图2单片机外部结构图1、复位电路的设计复位电路是使单片机的CPU或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这上状态开始工作。（1）单片机常见的复位电路通常单片机复位电路有两种：上电复位电路，按键复位电路。上电复位电路：上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。它利用的是电容充电的原理来实现的。按键复位电路：它不仅具有上电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。如果要实现复位的话，只要按下RESET键即可。它主要是利用电阻的分压来实现的第6页在此设计中，采用的按键复位电路。按键复位电路如图3所示。RSTR110kC310uFQ2PNP图3复位电路（2）复位电路工作原理上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。2、晶振电路的设计晶振电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地工作。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，如图4中X1、C1、C2。可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30nF左右的瓷片电容。XTAL1XTAL2X111.592MHzC130nfC230nf图4时钟振荡电路第7页2.2.2计步器传感器采集模块ADXL345的内部功能结构如图5所示，X、Y、Z三个相互正交的方向上的加速度由G-Cell传感器感知，经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。图5ADXL345内部结构功能框图所谓的G-Cell传感器是由半导体材料(多晶硅)经半导体工艺加工得到，其结构可简化为三块电容极板，如图6。两端的极板圈定，中间的极板在加速度的作用下，偏离无加速度的位置，这样它到两端极板的距离发生变化，造成电容值的变化．这个变化值经容压变换、增益放大，滤波等后体现在最后的电压输出值上，从而完成对加速度的测量。图6G-Cell传感器的物理模型ADXL345的三个相互正交的测量方向如图7，固定在人体上后，这三个方向上的数第8页据意义也就随之确定了。图7ADXL345的三测量轴向引脚配置(顶视图)：图8引脚功