沈阳化工基于MEMS加速度器计步器设计毕业设计答辩成绩90分以上

1、 分类号： TP29 编号：BY 15 5279 11/12/2 科 14-0801 沈阳化工大学 本科毕业论文 题 目：基于MEMS加速度器计步器设计 院 系： XXXXXXXX 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： XXXXXXXXXXX 学生姓名： XXXXXX 指导教师： XXXXXX 论文提交日期： 2012年 6 月 15 日论文答辩日期： 2012年 6 月 18 日毕业设计（论文）任务书专业：电气工程及其自动化班级：0801班学生：XXXX毕业设计（论文）题目： 基于MEMS加速度器计步器设计 毕业设计（论文）内容：利用人跑步和行走时的三个坐标轴的加速度变化规律，判断人的步数

2、，并根据步距和行走方位，推出人行走位置。毕业设计（论文）专题部分： 1.熟悉三轴加速度计的原理。2通过三轴加速度计的各参数算法对三轴加速度计的计步器进行研究。起止时间：2012年3月-2012年6月指导教师： 签字 年 月 日教研主任： 签字 年 月 日学院院长： 签字 年 月 日 目 录第一章 引言11.1研究背景11.2国内外的研究现状11.3研究的目的和意义41.4论文结构4第二章 芯片简介52.1 三轴加速度计ADXL345的性能规格52.1.1三轴加速度计ADXL345的简介52.1.2三轴加速度计ADXL345的特点52.1.3三轴加速度计ADXL345的通信模式72.2 STC8

3、9C52系列芯片的性能规格112.2.1 STC89C52概述112.2.2 stc89c52的特点和结构11第三章 系统硬件部分模块介绍143.1 传感器电路连接模块143.1.1传感器模块连接143.2 微处理器模块153.4 显示模块17第四章 系统设计20334.1系统硬件设计204.2 软件总体设计214.3 算法的实现22第五章 实验数据和结论285.1 实验数据285.2 结论29致 谢30参考文献31附录32沈阳化工大学学士学位文 第一章 引言第一章 引言1.1研究背景目前随着数字化时代的到来，越来越多的手持设备，例如手机、MP3和PMP等等，都要增加健康或者运动的功能。计步器

4、作为一种测量仪器，可以计算行走的步数和消耗的能量，就成为在这些手持设备上增加的功能之一。计步器的构成有机械式和电子式两种。机械式的计步器利用人体行走时的振动引起计步器内部簧片或者弹力小球的振动来产生电子脉冲，内部处理器通过判断电子脉冲的方法来达到计步的功能。这种机械式方式的成本比较低，但是它的准确性和灵敏度很低。1.2国内外的研究现状随着社会的发展，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

5、简单方便。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。电子计步器主要由振动传感器和电子计数器组成。人在步行时重心都要有一点上下移动。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

6、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1。随着手机功能的逐渐增多，在手机上实现一些与健康有关的功能也已成为一种热点，例如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。比如人在运动时会产生加速度，因此采集到加速度数据以后加以适当的算法就可以实现计步功能。这是一款基于加速度传感器ADXL345的计步器。该计步器系统上还具有USB接口，可与PC机进行高速数据传输。本文介绍了利用人运动时产生的加速度变化来检测步数的计步器实现方案，利用具有体积小，

7、功耗低，三轴高精度加速度传感器ADXL345，芯片内部即可把数据采集来的数据处理为数字数据，同时芯片中还集成了SPI和I²C接口，可以方便地将数据传输到毛控芯片。该系统设计设计简单，实现方便。该芯片也可以扩展到其它需要测量加速度的应用场合，具有广阔的应用场景。其中ADXL345是一款超低功耗小巧纤薄的3轴加速计，可以对高达±16g的加速度进行高分辨率（13位）测量。数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI（3线或4线）或者I²C数字接口访问。 ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速

8、度。它的高分辨率（4mg/LSB）能够分辨仅为0.25°的倾角变化。它提供一系列特殊的感测功能。动态和静态感测功能可以检测有无运动发生，以及在任何轴上的加速度是否超过用户设置的水平。点击感测功能可以检测单击和双击动作。自由落体感测功能可以检测该设备是否正在掉落。这些功能可以映射到中断信号输出的引脚上。一个集成的32级FIFO可用于储存数据，从而最小化对主处理器的影响。ADXL345的特点如下2：（1） 超低功耗：Vs = 2.5V时（典型值），测量模式下低至23uA，待机模式下为0.1uA。（2） 功耗随带宽自动按比例变化。（3） 用户可选的分辨率：10位固定分辨率；全分辨率，分辨率

9、随g范围而提高，±16g时高达13位（在所有范围内保持4mg/LSB的比例系数）。（4） 正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理负荷降至最低。（5） 单振/双振检测。（6） 活动/非活动监控。（7） 自由落体检测。（8） 电源电压范围：2.0V至3.6V。（9） I/O电压范围：1.7V至Vs。（10）SPI（3线和4线）和I²C数字接口。（11）灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚。（12）抗冲击能力：10000g。（13）无铅/符合RoHS标准。（14）小而薄：3mm×5mm×1mm，LGA封装。低功耗模式使具有阈值感测和运

10、动加速度测量功能的ADXL345智能功率管理的功耗极低。ADXL345采用14引脚塑料封装，具有3mm × 5mm × 1mm的小巧纤薄的外形尺寸。方向感应器的实现靠的是iPhone的内置加速计3。iPhone所采用的加速计是三轴加速计，分为X轴、Y轴和Z轴。这三个轴所构成的立体空间足以侦测到你在iPhone上的各种动作。在实际应用时通常是以这三个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算iPhone倾斜的角度，从而计算出重力加速度的值。通过感知特定方向的惯性力总量，加速计可以测量出加速度和重力。iPhone的三轴加速计意味着它能够检测到三维空间中的运动或重力引力。因此，加速计不

11、但可以指示握持电话的方式（或自动旋转功能），而且如果电话放在桌子上的话，还可以指示电话的正面朝上还是朝下。 该器件提供多种特殊检测功能。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。1.3研究的目的和意义如

12、今，先进的计步器利用MEMS（微机电系统）惯性传感器和复杂的软件来精确检测真实的步伐。MEMS惯性传感器可以更准确地检测步伐，误检率更低。MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点，因此越来越多的便携式消费电子设备开始集成计步器功能，如音乐播放器和手机等。为了达到准确性，在运动过程中，分析了3个不同方向的加速度数据：前向、纵向和侧向。利用人运动时产生加速度变化来检测步数的计步器，在实测时计步器的精度达到96%，已经比较不错，能较好的实现计步功能。而且体积小，工作电流只有1mA-1.5mA，低功耗，非常适合应用于手持式设备。这种基于三轴加速度计的计步器在人们日常生活中可以简单方便的应用。

13、1.4论文结构 本文共分为六章： 第一章为引言部分，介绍了计步器设计的研究背景，给出了本文的研究内容、国内外的研究现状、目的和意义，提出了本文的设计指标。第二章为芯片的概述，介绍了3轴加速度计ADXL345的特点及其功能，SPI接口，STC89C52单片机的特点及其功能等。第三章介绍了系统硬件的简单模块，系统硬件模块主要包括传感器电路连接模块，微处理器模块，显示模块等。第四章为系统的软件设计。给出了软件的总体设计和计步器算法的实现。第五章为实验数据和结论。第二章 芯片简介2.1 三轴加速度计ADXL345的性能规格2.1.1三轴加速度计ADXL345的简介ADXL345是一款超低功耗小巧纤薄的

14、3轴加速计，可以对高达±16g的加速度进行高分辨率（13位）测量。数字输出数据为16位二进制补码的形式，可通过SPI（3线或4线）或者I²C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜感测应用中测量静态重力加速度，还可以从运动或者振动中生成动态加速度。它的高分辨率（4mg/LSB）能够分辨仅为0.25°的倾角变化。它提供一系列特殊的感测功能。动态和静态感测功能可以检测有无运动发生，以及在任何轴上的加速度是否超过用户设置的水平。点击感测功能可以检测单击和双击动作。自由落体感测功能可以检测该设备是否正在掉落。这些功能可以映射到中断信号输出的引脚上。一

15、个集成的32级FIFO可用于储存数据，从而最小化对主处理器的影响。2.1.2三轴加速度计ADXL345的特点（1） 超低功耗：Vs = 2.5V时（典型值），测量模式下低至23uA，待机模式下为0.1uA。（2） 功耗随带宽自动按比例变化。（3） 用户可选的分辨率：10位固定分辨率；全分辨率，分辨率随g范围而提高，±16g时高达13位（在所有范围内保持4mg/LSB的比例系数）。（4） 正在申请专利的嵌入式存储器管理系统采用FIFO技术，可将主机处理负荷降至最低。（5） 单振/双振检测。（6） 活动/非活动监控。（7） 自由落体检测。（8） 电源电压范围：2.0V至3.6V。（9）

16、I/O电压范围：1.7V至Vs。 （10）SPI（3线和4线）和I²C数字接口。（11）灵活的中断模式，可映射到任一中断引脚。（12）抗冲击能力：10000g。（13）无铅/符合RoHS标准。 （14）小而薄：3mm×5mm×1mm，LGA封装。低功耗模式使具有阈值感测和运动加速度测量功能的ADXL345智能功率管理的功耗极低。ADXL345采用14引脚塑料封装，具有3mm × 5mm × 1mm的小巧纤薄的外形尺寸。方向感应器的实现靠的是iPhone的内置加速计。iPhone所采用的加速计是三轴加速计，分为X轴、Y轴和Z轴。这三个轴所构成的立

17、体空间足以侦测到你在iPhone上的各种动作。在实际应用时通常是以这三个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算iPhone倾斜的角度，从而计算出重力加速度的值4。通过感知特定方向的惯性力总量，加速计可以测量出加速度和重力。iPhone的三轴加速计意味着它能够检测到三维空间中的运动或重力引力。因此，加速计不但可以指示握持电话的方式（或自动旋转功能），而且如果电话放在桌子上的话，还可以指示电话的正面朝上还是朝下。ADXL345功能框图如下：图2.1 ADXL345功能框图图2.2 ADXL345引脚图该器件提供多种特殊检测功能。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运

18、动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出（FIFO）缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量5。ADXL345采用3 mm × 5 mm × 1 mm，14引脚小型超薄塑料封装。鉴于对成本及模拟输出的考虑，ADXL345加速度计更适合，因此，本次设计采用的是ADXL345三轴加速度计。2.1.3三轴加速度

19、计ADXL345的通信模式串行通信可采用和SPI数字通信【4】。上述两种情况下，ADXL345作为从机运行。CS引脚上拉至VDD I/O，I2C模式使能。CS引脚应始终上拉至VDD I/O或由外部控制器驱动，因为CS引脚无连接时，默认模式不存在。因此，如果没有采取这些措施，可能会导致该器件无法通信。SPI模式下，CS引脚由总线主机控制。SPI和I2C两种操作模式下，ADXL345写入期间，应忽略从ADXL345传输到主器件的数据。SPI对于SPI，可3线或4线配置，如图34和图35的连接图所示。在DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)中，选择4线模式清除SPI位(位D6)，选择3线模式则

20、设置SPI位。最大负载为100 pF时，最大SPI时钟速度为5 MHz，时序方案按照时钟极性(CPOL)= 1、时钟相位(CPHA)= 1执行。如果主处理器的时钟极性和相位配置之前，将电源施加到ADXL345，CS引脚应在时钟极性和相位改变之前连接至高电平。使用3线SPI时，推荐将SDO引脚上拉至VDD I/O抑或通过10 k电阻下拉至接地。图2.3 线式SPI连接图图2.4 线式SPI连接图CS为串行端口使能线，由SPI主机控制。如图所示，此线必须在传输起点变为低电平，传输终点变为高电平。SCLK为串行端口时钟，由SPI主机提供。无传输期间，SCLK为空闲高电平状态。SDI和SDO分别为串行

21、数据输入和输出。SCLK下降沿时数据更新，SCLK上升沿时进行采样。要在单次传输内读取或写入多个字节，必须设置位于第一个字节传输(MB，图36至图38)R/W位后的多字节位。寄存器寻址和数据的第一个字节后，时钟脉冲的随后每次设置(8个时钟脉冲)导致ADXL345指向下一个寄存器的读取/写入。时钟脉冲停止后，移位才随之中止，CS失效。要执行不同不连续寄存器的读取或写入，传输之间 CS必须失效，新寄存器另行处理。图38显示了3线式SPI读取或写入的时序图。图2.5和图2.6分别显示了4线式SPI读取和写入的时序图。要进行该器件的正确操作，任何时候都必须满足表9和表10中的逻辑阈值和时序参数。SPI

22、通信速率大于或等于2 MHz时，推荐采用3200 Hz和1600Hz的输出数据速率。只有通信速度大于或等于400kHz时，推荐使用800 Hz的输出数据速率，剩余的数据传输速率按比例增减。例如，200 Hz输出数据速率时，推荐的最低通信速度为100kHz。以高于推荐的最大值输出数据速率运行，可能会对加速度数据产生不良影响，包括采样丢失或额外噪声。图2.5 线式SPI写入图2.6线式SPI读取图2.7线式SPI读取、写入I2C如图2.8所示，CS引脚拉高至VDD I/O，ADXL345处于I2C模式6，需要简单2线式连接。ADXL345符合UM10204 I2C总线规范和用户手册03版(2007

23、年6月19日，NXP Semiconductors提供)。如果满足了表11和表12列出的总线参数，便能支持标准(100 kHz)和快速(400 kHz)数据传输模式。如图40所示，支持单个或多个字节的读取/写入。ALT ADDRESS引脚处于高电平，器件的7位I2C地址是0x1D，随后为R/W位。这转化为0x3A写入，0x3B读取。通过ALT ADDRESS引脚(引脚12)接地，可以选择备用I2C地址0x53(随后为R/W位)。这转化为0xA6写入，0xA7读取。对于任何不使用的引脚，没有内部上拉或下拉电阻，因此，CS引脚或ALT ADDRESS引脚悬空或不连接时，任何已知状态或默认状态不存在

24、。使用I2C时， CS引脚必须连接至VDD I/O，ALT ADDRESS引脚必须连接至任一VDD I/O或接地。由于通信速度限制，使用400 kHz I2C时，最大输出数据速率为800 Hz，与I2C通信速度按比例呈线性变化。例如，使用100 kHz I2C时，ODR最大限值为200 Hz。以高于推荐的最大值和最小值范围的输出数据速率运行，可能会对加速度数据产生不良影响，包括采样丢失或额外噪声。图2.8 I2C连接图如果有其他器件连接到同一I2C总线，这些器件的额定工作电压电平不能高于VDD I/O 0.3V以上。I2C正确操作需要外接上拉电阻RP。为确保正确操作，选择上拉电阻值时，请参考U

25、M10204 I2C总线规范和用户手册03版(2007年6月19日)。图2.9 I2C时序图3.1 控制器本系统基于51系列单片机来实现，因为系统没有其它高标准的要求，我们最终选择了STC89C52通用的比较普通单片机来实现系统设计。3.1.1 STC89C52 简介STC89C52是国内STC公司生产的低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，

26、功能强大AT89CSl单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.1.2 STC89C52 的特点·与MCS-51产品指令系统完全兼容·8k字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写周期·全静态操作：OHz-24MHz·三级加密程序存储器·128*8字节内部RAM·32个可编程IO口线·2个16位定时计数器·6个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式3.1.3 STC89C52的结构此次设计所使用的STC89C52 的封装形式是DIP40。

27、如图3.1 所示。图3.1 STC89C52 的封装形式引脚功能：·Vcc：电源电压·GND：接地·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗转入端用。·Pl口：P1是个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电萌。·P2口：P2是一个带有内

28、部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。·P3口：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用，每一位功能定义如表3.1 所示。沈阳化工大学学士学位文 第二章 芯片简介表3.1 P3 口的第二功能·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。·ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许

29、)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振器频率的16输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。·PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。·EAVPP：EA 0，单片机只访问外部程序存储器。EA 1，单片机访问内部程序存储器。XTALI：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。沈阳化工大学学士学位文

30、第三章 系统硬件部分模块介绍第三章 系统硬件部分模块介绍3.1 传感器电路连接模块加速度计时测量运载体线加速度的仪表。在飞行控制系统中，加速度计是重要的动态特性校正原件。在惯性导航系统中，高精度的加速度计是最基本的敏感原件之一。在各类飞行器的飞行试验中，加速度计是研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具8。ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技术的3轴、数字输出加速度传感器。ADXL345具有±2, ±4, ±8，±16g可变的测量范围；最高13bit分辨率；固定的4mg/LSB灵敏度；3mm*5mm*1mm超小封装；40-145uA超低功耗；标

31、准的I²C或SPI数字接口；32级FIFO存储；以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。所有这些特性，使得ADXL345有助于大大简化跌倒检测算法，使其成为一款非常适合于跌倒检测器应用的加速度传感器。本为给出的跌倒检测解决方案，完全基于ADXL345内部的运动状态检测功能和中断功能，甚至不需要对加速度的具体数值进行实时读取和复杂的计算操作，可以使算法的复杂性降至最低。3.1.1传感器模块连接iMEMS半导体技术把微型机械结构与电子电路集成在同一颗芯片上。iMEMS加速度传感器就是利用这种技术，实现对单轴、双轴甚至三轴加速度进行测量并产生模拟或数字输出的传感器。根据不同的应用，

32、加速度传感器的测量范围从几g到几十g不等。数字输出的加速度传感器还会集成多种中断模式。这些特性可以为用户提供更加方便灵活的解决方案。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。如图3.1所示，为传感器底座，接口电路连接：图3.1 传感器连接模块 此模块电路主要功能

33、就用于做ADXL345加速度传感器的一个转接口，而且利用ADXL345该加速度传感器产生相应的变化值。相当于整个系统的信号产生模块。3.2 微处理器模块51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般

34、不具备自编程能力。当前常用的51系列单片机主要产品有：*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。3.3 显示模块液晶显示器，或称LCD（Liquid Crystal Display），为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设

35、备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面12。 LCD特点：机身薄，节省空间。与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。 省电，不产生高温。它属于低耗电产品，可以做到完全不发热(主要耗电和发热部分存在于背光灯管或LED)，而CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温。 低辐射，益健康。液晶显示器的辐射远低于CRT显示器（仅仅是低，并不是完全没有辐射，电子产品多多少少都有辐射），这对于整天在电脑前工作的人来说是一个福音。画面柔和不伤眼，不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。在日常生活中，我们对液晶显

36、示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。数字式接口液晶显示

37、器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。1602字符型LCD简介：字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如下图108.2.1 1602LCD的基本参数及引脚功能160

38、2LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：图10-54 1602LCD尺寸图1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表10-13所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶

39、显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表10-13：引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为

40、低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。图4 LCD1602液晶显示电路51单片机的P2.0，P2.1，P2.2作为LCD1602显示器的控制口，把P0口作为数据输出。沈阳化工大学学士学位文 第四章 系统设计第四章 系统设计4.1系统硬件设计本文将以计步器为例，介绍了计步器的硬件设计和软件算法的实现。该计步器系统采用STC89C52作为主控芯片，采用ADXL340来采集加速度数据。加速度传感器ADXL34

41、5LCD液晶显示器按键微控制器STC89C52 SPI 图2.3 硬5VLDO电源图4.1 硬件设计图4.2 软件总体设计 程序流程图：预采样结束清零按键按下算法计数显示输出步数、里程开始按键按下输入参数初始化自适应阈值判断阈值是否有效计数Count%500继续计数（a）主程序流程图 （b）计步流程图图4.2 程序流程图不同的人行走会有不同加速度大小的输出，因此软件中动态参数的设置提供了一种自适应的方法，来满足不同行人的要求。动态参数包括动态精度、动态阈值以及加速度传感器的峰一峰值的输出。动态精度是用来量化采样的数据以去除高频的噪声；动态阈值满足下式就可以判断一步的成立。Old Data>

42、;Dynamic Threshold>New Data。于是在进入测试后首先进行预采样，进行自适应，获得动态阈值。软件中量化的模块有两个移位寄存器组成：新数据寄存器和旧数据寄存器。新数据寄存器的内容为动态精度和加速度变化值，当加速度变化值大于动态精度时，这时的数据就可以移位到新数据寄存器；当加速度变化值小于或者等于动态精度时，新数据寄存器保持不变。旧数据寄存器则不断的更新采样的数据15。为防止不同时间，人体运动状态不同，设置软件每隔50步，重新采样取得阈值，继续计数，同时为防止不同时间的阈值不同产生的误计数，比如人已经停止运动，但是没有按下结束键是，采用前后两次阈值比较，在某一变化范围内

43、认为有效阈值，这样就避免了错误的计数，提高了计数精度。输入步长，在结束运动时，可以计算运动的里程数，对锻炼量进行评估。4.3 算法的实现在可用于分析跑步或步行的特征当中，我们选择“加速度”作为相关参数。个体（及其相关轴）的运动包括三个分量，分别是前向（“滚动”）、竖向（“偏航”）和侧向（“俯仰”），如图4.2所示。ADXL345检测其三个轴x、y和z上的加速度。计步器处于未知方向，因此测量精度不应严重依赖于运动轴与加速度计测量轴之间的关系。图4.3 跑步时的三个分量让我们考虑步行的特性。一个步伐，我们将其定义为单位步行周期，步行周期各阶段与竖向和前向加速度变化之间有一定的关系。要实现检测步数首

44、先要对人走路的姿态有一定了解。行走时,脚、腿、腰部,手臂都在运动,它们的运动都会产生相应的加速度,并且会在某点有一个峰值。从脚的加速度来检测步数是最准确的,但是考虑到携带的方便,我们选择利用腰部的运动来检测步数16。图4.3显示了与一名跑步者的竖向、前向和侧向加速度相对应的x、y和z轴测量结果的典型图样。无论如何穿戴计步器，总有至少一个轴具有相对较大的周期性加速度变化，因此峰值检测和针对所有三个轴上的加速度的动态阈值决策算法对于检测单位步行或跑步周期至关重要。图4.4从一名跑步者测得的x、y和z轴加速度的典型图样 （1）步伐参数数字滤波器：首先，为使信号波形变得平滑，需要一个数字滤波器。可以使

45、用四个寄存器和一个求和单元，如图4.4所示。当然，可以使用更多寄存器以使加速度数据更加平滑，但响应时间会变慢17。图4.5 数字滤波器图4.5显示了来自一名步行者所戴计步器的最活跃轴的滤波数据。对于跑步者，峰峰值会更高。图4. 6最活跃轴的滤波数据 动态阈值和动态精度：系统持续更新三轴加速度的最大值和最小值，每采样50次更新一次。平均值(Max + Min)/2称为“动态阈值”。接下来的50次采样利用此阈值判断个体是否迈出步伐。由于此阈值每50次采样更新一次，因此它是动态的。这种选择具有自适应性，并且足够快。除动态阈值外，还利用动态精度来执行进一步滤波。步伐迈出的条件定义为：当加速度曲线跨过动

46、态阈值下方时，加速度曲线的斜率为负值(sample_new < sample_old)。峰值检测：步伐计数器根据x、y、z三轴中加速度变化最大的一个轴计算步数。如果加速度变化太小，步伐计数器将忽略。步伐计数器利用此算法可以很好地工作，但有时显得太敏感。当计步器因为步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常缓慢地振动时，步伐计数器也会认为它是步伐。为了找到真正的有节奏的步伐，必须排除这种无效振动。利用“时间窗口”和“计数规则”可以解决这个问题。“时间窗口”用于排除无效振动。假设人们最快的跑步速度为每秒5步，最慢的步行速度为每2秒1步。这样，两个有效步伐的时间间隔在时间窗口0.2 s - 2.0

47、s之内，时间间隔超出该时间窗口的所有步伐都应被排除。ADXL345的用户可选输出数据速率特性有助于实现时间窗口。表4.1列出了TA = 25°C、VS = 2.5 V、VDD I/O = 1.8 V时的可配置数据速率（以及功耗）。表4.1 数据速率和功耗输出数据速率(Hz)带宽(Hz)速率代码IDD (µA)32001600111114616008001110100800400110114540020011001452001001011145100501010145502510011002512.510006512.56.250111556.253.125011040此算法

48、使用50 Hz数据速率(20 ms)。采用interval的寄存器记录两步之间的数据更新次数。如果间隔值在10与100之间，则说明两步之间的时间在有效窗口之内；否则，时间间隔在时间窗口之外，步伐无效。“计数规则”用于确定步伐是否是一个节奏模式的一部分。步伐计数器有两个工作状态：搜索规则和确认规则。步伐计数器以搜索规则模式开始工作。假设经过四个连续有效步伐之后，发现存在某种规则(in regulation)，那么步伐计数器就会刷新和显示结果，并进入“确认规则”工作模式。在这种模式下工作时，每经过一个有效步伐，步伐计数器就会更新一次18。但是，如果发现哪怕一个无效步伐，步伐计数器就会返回搜索规则模

49、式，重新搜索四个连续有效步伐。（2）距离参数根据上述算法计算步伐参数之后，我们可以使用公式1获得距离参数距离= 步数×每步距离 (1)每步距离取决于用户的速度和身高。如果用户身材较高或以较快速度跑步，步长就会较长。参考设计每2秒更新一次距离、速度和卡路里参数。因此，我们使用每2秒计数到的步数判断当前跨步长度。表4.2显示了用于判断当前跨步长度的实验数据。表4.2 跨步长度与速度（每2秒步数）和身高的关系每2秒步数跨步(m/s)02身高/523身高/434身高/345身高/256身高/1.268身高>=81.2 ×身高  2秒的时间间隔可以利用采样数精确算出。

50、以50 Hz数据速率为例，处理器可以每100次采样发送一次相应的指令。处理器利用一个名为m_nLastPedometer的变量记录每个2秒间隔开始时的步数，并利用一个名为m_nPedometerValue的变量记录每个2秒间隔结束时的步数。这样，每2秒步数等于m_nPedometerValue与m_nLastPedometer之差。 虽然数据速率为50 Hz，但ADXL345的片内FIFO使得处理器无需每20 ms读取一次数据，极大地减轻了主处理器的负担。该缓冲器支持四种工作模式：旁路、FIFO、流和触发。在FIFO模式下，x、y、z轴的测量数据存储在FIFO中。当FIFO中的采样数与FIFO

51、_CTL寄存器采样数位规定的数量相等时，水印中断置1。如前所述，人们的跑步速度最快可达每秒5步，因此每0.2秒刷新一次结果即可保证实时显示，从而处理器只需每0.2秒通过水印中断唤醒一次并从ADXL345读取数据。FIFO的其它功能也都非常有用。利用触发模式，FIFO可以告诉我们中断之前发生了什么。由于所述解决方案没有使用FIFO的其它功能，因此笔者将不展开讨论。 （3）速度参数速度 = 距离/时间，而每2秒步数和跨步长度均可根据上述算法计算，因此可以使用公式2获得速度参数。 速度= 每2秒步数×跨步/2s   (2)沈阳化工大学学士学位文 第五章 实验数据和结论第

52、五章 实验数据和结论5.1 实验数据我们在不同的环境中做了大量的实验，加速度采样频率设置为50Hz，表5.1列出了6组实验数据。表5.1 实验结果实际步数计算出的步数误差水泥地1100982水泥地21501491草地1100973草地21501491山地1100973山地21501522 根据测试结果显示，计算出的步数相比实际走的步数误差<=3，图6.1是测试时串口示波器显示的步伐波形。 图5.1是我们对加速度测量得出的一段波形的截图。其中，圆圈标记部分为波峰，两个相邻波峰之间部分记为一步，从而得出相关结论，完成我们通过加速度计记步的要求。图5.1 加速度测量的波形5.2 结论加速度传感

53、器是一种能够测量加速力的电子设备，目前加速度传感器的类型可谓多种多样，有压阻式、电容式、压电式、谐振式、热传导式、隧道式、光纤式、热对流式等。加速度传感器的工作原理都是相似的，将由惯性作用产生的机械运动或变形转换为电信号的变化，随着科学技术的发展进步，加速度传感器的工艺、精度也日益提高，MEMS技术在传感器领域的应用更使得加速度传感器的体积越来越小，也得到了更广泛的应用。论文中所应用的ADI公司生产基于热对流效应的三轴加速度计ADXL345，其具有体积小、能耗低、成本低、内置温度测量等特点。ADXL345是一款出色的加速度计，非常适合计步器应用。它具有小巧纤薄的特点，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封装，利用它开发的计步器已经出现在医疗仪器和高档消费电子设备中。它在测量模式下的功耗仅40 A，待机模式下为0.1 A，堪称电池供电产品的理想之选。嵌入式FIFO极大地减