1、 分類號(hào)： TP29 編號(hào)：BY 15 5279 11/12/2 科 14-0801 沈陽(yáng)化工大學(xué) 本科畢業(yè)論文 題 目：基于MEMS加速度器計(jì)步器設(shè)計(jì) 院 系： XXXXXXXX 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： XXXXXXXXXXX 學(xué)生姓名： XXXXXX 指導(dǎo)教師： XXXXXX 論文提交日期： 2012年 6 月 15 日論文答辯日期： 2012年 6 月 18 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：0801班學(xué)生：XXXX畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于MEMS加速度器計(jì)步器設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容：利用人跑步和行走時(shí)的三個(gè)坐標(biāo)軸的加速度變化規(guī)律，判斷人的步數(shù)

2、，并根據(jù)步距和行走方位，推出人行走位置。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分： 1.熟悉三軸加速度計(jì)的原理。2通過(guò)三軸加速度計(jì)的各參數(shù)算法對(duì)三軸加速度計(jì)的計(jì)步器進(jìn)行研究。起止時(shí)間：2012年3月-2012年6月指導(dǎo)教師： 簽字 年 月 日教研主任： 簽字 年 月 日學(xué)院院長(zhǎng)： 簽字 年 月 日 目 錄第一章 引言11.1研究背景11.2國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀11.3研究的目的和意義41.4論文結(jié)構(gòu)4第二章 芯片簡(jiǎn)介52.1 三軸加速度計(jì)ADXL345的性能規(guī)格52.1.1三軸加速度計(jì)ADXL345的簡(jiǎn)介52.1.2三軸加速度計(jì)ADXL345的特點(diǎn)52.1.3三軸加速度計(jì)ADXL345的通信模式72.2 STC8

3、9C52系列芯片的性能規(guī)格112.2.1 STC89C52概述112.2.2 stc89c52的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)11第三章 系統(tǒng)硬件部分模塊介紹143.1 傳感器電路連接模塊143.1.1傳感器模塊連接143.2 微處理器模塊153.4 顯示模塊17第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)20334.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)204.2 軟件總體設(shè)計(jì)214.3 算法的實(shí)現(xiàn)22第五章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論285.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)285.2 結(jié)論29致 謝30參考文獻(xiàn)31附錄32沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位文 第一章 引言第一章 引言1.1研究背景目前隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的手持設(shè)備，例如手機(jī)、MP3和PMP等等，都要增加健康或者運(yùn)動(dòng)的功能。計(jì)步器

4、作為一種測(cè)量?jī)x器，可以計(jì)算行走的步數(shù)和消耗的能量，就成為在這些手持設(shè)備上增加的功能之一。計(jì)步器的構(gòu)成有機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式的計(jì)步器利用人體行走時(shí)的振動(dòng)引起計(jì)步器內(nèi)部簧片或者彈力小球的振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電子脈沖，內(nèi)部處理器通過(guò)判斷電子脈沖的方法來(lái)達(dá)到計(jì)步的功能。這種機(jī)械式方式的成本比較低，但是它的準(zhǔn)確性和靈敏度很低。1.2國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平日漸提高，人們也越來(lái)越關(guān)注自己的健康。計(jì)步器作為一種測(cè)量?jī)x器，可以計(jì)算行走的步數(shù)和消耗的能量，所以人們可以定量的制定運(yùn)動(dòng)方案來(lái)健身，并根據(jù)運(yùn)行情況來(lái)分析人體的健康狀況，因而越發(fā)流行。手持式的電子計(jì)步器是適應(yīng)市場(chǎng)需求的設(shè)計(jì)，使用起來(lái)

5、簡(jiǎn)單方便。早期設(shè)計(jì)利用加重的機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)步伐，并帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器。晃動(dòng)這些裝置時(shí)，可以聽(tīng)到有一個(gè)金屬球來(lái)回滑動(dòng)，或者一個(gè)擺錘左右擺動(dòng)敲擊擋塊。電子計(jì)步器主要由振動(dòng)傳感器和電子計(jì)數(shù)器組成。人在步行時(shí)重心都要有一點(diǎn)上下移動(dòng)。以腰部的上下位移最為明顯，所以記步器掛在腰帶上最為適宜。所謂的振動(dòng)傳感器其實(shí)就是一個(gè)平衡錘在上下振動(dòng)時(shí)平衡被破壞使一個(gè)觸點(diǎn)能出現(xiàn)通/斷動(dòng)作，由電子計(jì)數(shù)器記錄并顯示就完成了主要功能，其他的熱量消耗，路程換算均由電路完成。計(jì)步器中一般采用一種加速度計(jì)來(lái)感受外界的震動(dòng)。常用的加速度計(jì)原理如下：在一段塑料管中密封著一小塊磁鐵，管外纏繞著線圈，當(dāng)塑料管運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鐵由于慣性在管中反向運(yùn)

6、動(dòng)，切割線圈，由于電磁感應(yīng)，線圈中產(chǎn)生電流，人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，上下起伏的加速度近似為正弦過(guò)程，線圈的輸出電流也是正弦波，測(cè)量正弦波的頻率就可以得出運(yùn)動(dòng)的步數(shù)，再計(jì)算的出速度，距離，和消耗卡路里1。隨著手機(jī)功能的逐漸增多，在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)一些與健康有關(guān)的功能也已成為一種熱點(diǎn)，例如計(jì)步器功能可以根據(jù)計(jì)算人的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)分析人體的健康狀況。比如人在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生加速度，因此采集到加速度數(shù)據(jù)以后加以適當(dāng)?shù)乃惴ň涂梢詫?shí)現(xiàn)計(jì)步功能。這是一款基于加速度傳感器ADXL345的計(jì)步器。該計(jì)步器系統(tǒng)上還具有USB接口，可與PC機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。本文介紹了利用人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度變化來(lái)檢測(cè)步數(shù)的計(jì)步器實(shí)現(xiàn)方案，利用具有體積小，

7、功耗低，三軸高精度加速度傳感器ADXL345，芯片內(nèi)部即可把數(shù)據(jù)采集來(lái)的數(shù)據(jù)處理為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)芯片中還集成了SPI和I²C接口，可以方便地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫匦酒Ｔ撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。該芯片也可以擴(kuò)展到其它需要測(cè)量加速度的應(yīng)用場(chǎng)合，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。其中ADXL345是一款超低功耗小巧纖薄的3軸加速計(jì)，可以對(duì)高達(dá)±16g的加速度進(jìn)行高分辨率（13位）測(cè)量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式，可通過(guò)SPI（3線或4線）或者I²C數(shù)字接口訪問(wèn)。 ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜感測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以從運(yùn)動(dòng)或者振動(dòng)中生成動(dòng)態(tài)加速

8、度。它的高分辨率（4mg/LSB）能夠分辨僅為0.25°的傾角變化。它提供一系列特殊的感測(cè)功能。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)感測(cè)功能可以檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，以及在任何軸上的加速度是否超過(guò)用戶設(shè)置的水平。點(diǎn)擊感測(cè)功能可以檢測(cè)單擊和雙擊動(dòng)作。自由落體感測(cè)功能可以檢測(cè)該設(shè)備是否正在掉落。這些功能可以映射到中斷信號(hào)輸出的引腳上。一個(gè)集成的32級(jí)FIFO可用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，從而最小化對(duì)主處理器的影響。ADXL345的特點(diǎn)如下2：（1） 超低功耗：Vs = 2.5V時(shí)（典型值），測(cè)量模式下低至23uA，待機(jī)模式下為0.1uA。（2） 功耗隨帶寬自動(dòng)按比例變化。（3） 用戶可選的分辨率：10位固定分辨率；全分辨率，分辨率

9、隨g范圍而提高，±16g時(shí)高達(dá)13位（在所有范圍內(nèi)保持4mg/LSB的比例系數(shù)）。（4） 正在申請(qǐng)專利的嵌入式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用FIFO技術(shù)，可將主機(jī)處理負(fù)荷降至最低。（5） 單振/雙振檢測(cè)。（6） 活動(dòng)/非活動(dòng)監(jiān)控。（7） 自由落體檢測(cè)。（8） 電源電壓范圍：2.0V至3.6V。（9） I/O電壓范圍：1.7V至Vs。（10）SPI（3線和4線）和I²C數(shù)字接口。（11）靈活的中斷模式，可映射到任一中斷引腳。（12）抗沖擊能力：10000g。（13）無(wú)鉛/符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。（14）小而薄：3mm×5mm×1mm，LGA封裝。低功耗模式使具有閾值感測(cè)和運(yùn)

10、動(dòng)加速度測(cè)量功能的ADXL345智能功率管理的功耗極低。ADXL345采用14引腳塑料封裝，具有3mm × 5mm × 1mm的小巧纖薄的外形尺寸。方向感應(yīng)器的實(shí)現(xiàn)靠的是iPhone的內(nèi)置加速計(jì)3。iPhone所采用的加速計(jì)是三軸加速計(jì)，分為X軸、Y軸和Z軸。這三個(gè)軸所構(gòu)成的立體空間足以偵測(cè)到你在iPhone上的各種動(dòng)作。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常是以這三個(gè)軸（或任意兩個(gè)軸）所構(gòu)成的角度來(lái)計(jì)算iPhone傾斜的角度，從而計(jì)算出重力加速度的值。通過(guò)感知特定方向的慣性力總量，加速計(jì)可以測(cè)量出加速度和重力。iPhone的三軸加速計(jì)意味著它能夠檢測(cè)到三維空間中的運(yùn)動(dòng)或重力引力。因此，加速計(jì)不

11、但可以指示握持電話的方式（或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能），而且如果電話放在桌子上的話，還可以指示電話的正面朝上還是朝下。 該器件提供多種特殊檢測(cè)功能。活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能通過(guò)比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來(lái)檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生。敲擊檢測(cè)功能可以檢測(cè)任意方向的單振和雙振動(dòng)作。自由落體檢測(cè)功能可以檢測(cè)器件是否正在掉落。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。正在申請(qǐng)專利的集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級(jí)先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。1.3研究的目的和意義如

12、今，先進(jìn)的計(jì)步器利用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）慣性傳感器和復(fù)雜的軟件來(lái)精確檢測(cè)真實(shí)的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點(diǎn)，因此越來(lái)越多的便攜式消費(fèi)電子設(shè)備開(kāi)始集成計(jì)步器功能，如音樂(lè)播放器和手機(jī)等。為了達(dá)到準(zhǔn)確性，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分析了3個(gè)不同方向的加速度數(shù)據(jù)：前向、縱向和側(cè)向。利用人運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生加速度變化來(lái)檢測(cè)步數(shù)的計(jì)步器，在實(shí)測(cè)時(shí)計(jì)步器的精度達(dá)到96%，已經(jīng)比較不錯(cuò)，能較好的實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能。而且體積小，工作電流只有1mA-1.5mA，低功耗，非常適合應(yīng)用于手持式設(shè)備。這種基于三軸加速度計(jì)的計(jì)步器在人們?nèi)粘Ｉ钪锌梢院?jiǎn)單方便的應(yīng)用。

13、1.4論文結(jié)構(gòu) 本文共分為六章： 第一章為引言部分，介紹了計(jì)步器設(shè)計(jì)的研究背景，給出了本文的研究?jī)?nèi)容、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、目的和意義，提出了本文的設(shè)計(jì)指標(biāo)。第二章為芯片的概述，介紹了3軸加速度計(jì)ADXL345的特點(diǎn)及其功能，SPI接口，STC89C52單片機(jī)的特點(diǎn)及其功能等。第三章介紹了系統(tǒng)硬件的簡(jiǎn)單模塊，系統(tǒng)硬件模塊主要包括傳感器電路連接模塊，微處理器模塊，顯示模塊等。第四章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。給出了軟件的總體設(shè)計(jì)和計(jì)步器算法的實(shí)現(xiàn)。第五章為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論。第二章 芯片簡(jiǎn)介2.1 三軸加速度計(jì)ADXL345的性能規(guī)格2.1.1三軸加速度計(jì)ADXL345的簡(jiǎn)介ADXL345是一款超低功耗小巧纖薄的

14、3軸加速計(jì)，可以對(duì)高達(dá)±16g的加速度進(jìn)行高分辨率（13位）測(cè)量。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式，可通過(guò)SPI（3線或4線）或者I²C數(shù)字接口訪問(wèn)。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜感測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以從運(yùn)動(dòng)或者振動(dòng)中生成動(dòng)態(tài)加速度。它的高分辨率（4mg/LSB）能夠分辨僅為0.25°的傾角變化。它提供一系列特殊的感測(cè)功能。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)感測(cè)功能可以檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)發(fā)生，以及在任何軸上的加速度是否超過(guò)用戶設(shè)置的水平。點(diǎn)擊感測(cè)功能可以檢測(cè)單擊和雙擊動(dòng)作。自由落體感測(cè)功能可以檢測(cè)該設(shè)備是否正在掉落。這些功能可以映射到中斷信號(hào)輸出的引腳上。一

15、個(gè)集成的32級(jí)FIFO可用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，從而最小化對(duì)主處理器的影響。2.1.2三軸加速度計(jì)ADXL345的特點(diǎn)（1） 超低功耗：Vs = 2.5V時(shí)（典型值），測(cè)量模式下低至23uA，待機(jī)模式下為0.1uA。（2） 功耗隨帶寬自動(dòng)按比例變化。（3） 用戶可選的分辨率：10位固定分辨率；全分辨率，分辨率隨g范圍而提高，±16g時(shí)高達(dá)13位（在所有范圍內(nèi)保持4mg/LSB的比例系數(shù)）。（4） 正在申請(qǐng)專利的嵌入式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用FIFO技術(shù)，可將主機(jī)處理負(fù)荷降至最低。（5） 單振/雙振檢測(cè)。（6） 活動(dòng)/非活動(dòng)監(jiān)控。（7） 自由落體檢測(cè)。（8） 電源電壓范圍：2.0V至3.6V。（9）

16、I/O電壓范圍：1.7V至Vs。 （10）SPI（3線和4線）和I²C數(shù)字接口。（11）靈活的中斷模式，可映射到任一中斷引腳。（12）抗沖擊能力：10000g。（13）無(wú)鉛/符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。 （14）小而薄：3mm×5mm×1mm，LGA封裝。低功耗模式使具有閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量功能的ADXL345智能功率管理的功耗極低。ADXL345采用14引腳塑料封裝，具有3mm × 5mm × 1mm的小巧纖薄的外形尺寸。方向感應(yīng)器的實(shí)現(xiàn)靠的是iPhone的內(nèi)置加速計(jì)。iPhone所采用的加速計(jì)是三軸加速計(jì)，分為X軸、Y軸和Z軸。這三個(gè)軸所構(gòu)成的立

17、體空間足以偵測(cè)到你在iPhone上的各種動(dòng)作。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常是以這三個(gè)軸（或任意兩個(gè)軸）所構(gòu)成的角度來(lái)計(jì)算iPhone傾斜的角度，從而計(jì)算出重力加速度的值4。通過(guò)感知特定方向的慣性力總量，加速計(jì)可以測(cè)量出加速度和重力。iPhone的三軸加速計(jì)意味著它能夠檢測(cè)到三維空間中的運(yùn)動(dòng)或重力引力。因此，加速計(jì)不但可以指示握持電話的方式（或自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能），而且如果電話放在桌子上的話，還可以指示電話的正面朝上還是朝下。ADXL345功能框圖如下：圖2.1 ADXL345功能框圖圖2.2 ADXL345引腳圖該器件提供多種特殊檢測(cè)功能。活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能通過(guò)比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來(lái)檢測(cè)有無(wú)運(yùn)

18、動(dòng)發(fā)生。敲擊檢測(cè)功能可以檢測(cè)任意方向的單振和雙振動(dòng)作。自由落體檢測(cè)功能可以檢測(cè)器件是否正在掉落。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。正在申請(qǐng)專利的集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級(jí)先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量5。ADXL345采用3 mm × 5 mm × 1 mm，14引腳小型超薄塑料封裝。鑒于對(duì)成本及模擬輸出的考慮，ADXL345加速度計(jì)更適合，因此，本次設(shè)計(jì)采用的是ADXL345三軸加速度計(jì)。2.1.3三軸加速度

19、計(jì)ADXL345的通信模式串行通信可采用和SPI數(shù)字通信【4】。上述兩種情況下，ADXL345作為從機(jī)運(yùn)行。CS引腳上拉至VDD I/O，I2C模式使能。CS引腳應(yīng)始終上拉至VDD I/O或由外部控制器驅(qū)動(dòng)，因?yàn)镃S引腳無(wú)連接時(shí)，默認(rèn)模式不存在。因此，如果沒(méi)有采取這些措施，可能會(huì)導(dǎo)致該器件無(wú)法通信。SPI模式下，CS引腳由總線主機(jī)控制。SPI和I2C兩種操作模式下，ADXL345寫(xiě)入期間，應(yīng)忽略從ADXL345傳輸?shù)街髌骷臄?shù)據(jù)。SPI對(duì)于SPI，可3線或4線配置，如圖34和圖35的連接圖所示。在DATA_FORMAT寄存器(地址0x31)中，選擇4線模式清除SPI位(位D6)，選擇3線模式則

20、設(shè)置SPI位。最大負(fù)載為100 pF時(shí)，最大SPI時(shí)鐘速度為5 MHz，時(shí)序方案按照時(shí)鐘極性(CPOL)= 1、時(shí)鐘相位(CPHA)= 1執(zhí)行。如果主處理器的時(shí)鐘極性和相位配置之前，將電源施加到ADXL345，CS引腳應(yīng)在時(shí)鐘極性和相位改變之前連接至高電平。使用3線SPI時(shí)，推薦將SDO引腳上拉至VDD I/O抑或通過(guò)10 k電阻下拉至接地。圖2.3 線式SPI連接圖圖2.4 線式SPI連接圖CS為串行端口使能線，由SPI主機(jī)控制。如圖所示，此線必須在傳輸起點(diǎn)變?yōu)榈碗娖剑瑐鬏斀K點(diǎn)變?yōu)楦唠娖健CLK為串行端口時(shí)鐘，由SPI主機(jī)提供。無(wú)傳輸期間，SCLK為空閑高電平狀態(tài)。SDI和SDO分別為串行

21、數(shù)據(jù)輸入和輸出。SCLK下降沿時(shí)數(shù)據(jù)更新，SCLK上升沿時(shí)進(jìn)行采樣。要在單次傳輸內(nèi)讀取或?qū)懭攵鄠€(gè)字節(jié)，必須設(shè)置位于第一個(gè)字節(jié)傳輸(MB，圖36至圖38)R/W位后的多字節(jié)位。寄存器尋址和數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)后，時(shí)鐘脈沖的隨后每次設(shè)置(8個(gè)時(shí)鐘脈沖)導(dǎo)致ADXL345指向下一個(gè)寄存器的讀取/寫(xiě)入。時(shí)鐘脈沖停止后，移位才隨之中止，CS失效。要執(zhí)行不同不連續(xù)寄存器的讀取或?qū)懭耄瑐鬏斨g CS必須失效，新寄存器另行處理。圖38顯示了3線式SPI讀取或?qū)懭氲臅r(shí)序圖。圖2.5和圖2.6分別顯示了4線式SPI讀取和寫(xiě)入的時(shí)序圖。要進(jìn)行該器件的正確操作，任何時(shí)候都必須滿足表9和表10中的邏輯閾值和時(shí)序參數(shù)。SPI

22、通信速率大于或等于2 MHz時(shí)，推薦采用3200 Hz和1600Hz的輸出數(shù)據(jù)速率。只有通信速度大于或等于400kHz時(shí)，推薦使用800 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率，剩余的數(shù)據(jù)傳輸速率按比例增減。例如，200 Hz輸出數(shù)據(jù)速率時(shí)，推薦的最低通信速度為100kHz。以高于推薦的最大值輸出數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，可能會(huì)對(duì)加速度數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良影響，包括采樣丟失或額外噪聲。圖2.5 線式SPI寫(xiě)入圖2.6線式SPI讀取圖2.7線式SPI讀取、寫(xiě)入I2C如圖2.8所示，CS引腳拉高至VDD I/O，ADXL345處于I2C模式6，需要簡(jiǎn)單2線式連接。ADXL345符合UM10204 I2C總線規(guī)范和用戶手冊(cè)03版(2007

23、年6月19日，NXP Semiconductors提供)。如果滿足了表11和表12列出的總線參數(shù)，便能支持標(biāo)準(zhǔn)(100 kHz)和快速(400 kHz)數(shù)據(jù)傳輸模式。如圖40所示，支持單個(gè)或多個(gè)字節(jié)的讀取/寫(xiě)入。ALT ADDRESS引腳處于高電平，器件的7位I2C地址是0x1D，隨后為R/W位。這轉(zhuǎn)化為0x3A寫(xiě)入，0x3B讀取。通過(guò)ALT ADDRESS引腳(引腳12)接地，可以選擇備用I2C地址0x53(隨后為R/W位)。這轉(zhuǎn)化為0xA6寫(xiě)入，0xA7讀取。對(duì)于任何不使用的引腳，沒(méi)有內(nèi)部上拉或下拉電阻，因此，CS引腳或ALT ADDRESS引腳懸空或不連接時(shí)，任何已知狀態(tài)或默認(rèn)狀態(tài)不存在

24、。使用I2C時(shí)， CS引腳必須連接至VDD I/O，ALT ADDRESS引腳必須連接至任一VDD I/O或接地。由于通信速度限制，使用400 kHz I2C時(shí)，最大輸出數(shù)據(jù)速率為800 Hz，與I2C通信速度按比例呈線性變化。例如，使用100 kHz I2C時(shí)，ODR最大限值為200 Hz。以高于推薦的最大值和最小值范圍的輸出數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，可能會(huì)對(duì)加速度數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良影響，包括采樣丟失或額外噪聲。圖2.8 I2C連接圖如果有其他器件連接到同一I2C總線，這些器件的額定工作電壓電平不能高于VDD I/O 0.3V以上。I2C正確操作需要外接上拉電阻RP。為確保正確操作，選擇上拉電阻值時(shí)，請(qǐng)參考U

25、M10204 I2C總線規(guī)范和用戶手冊(cè)03版(2007年6月19日)。圖2.9 I2C時(shí)序圖3.1 控制器本系統(tǒng)基于51系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)沒(méi)有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們最終選擇了STC89C52通用的比較普通單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.1.1 STC89C52 簡(jiǎn)介STC89C52是國(guó)內(nèi)STC公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，

26、功能強(qiáng)大AT89CSl單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.1.2 STC89C52 的特點(diǎn)·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容·8k字節(jié)可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器·1000次擦寫(xiě)周期·全靜態(tài)操作：OHz-24MHz·三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器·128*8字節(jié)內(nèi)部RAM·32個(gè)可編程IO口線·2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器·6個(gè)中斷源·可編程串行UART通道·低功耗空閑和掉電模式3.1.3 STC89C52的結(jié)構(gòu)此次設(shè)計(jì)所使用的STC89C52 的封裝形式是DIP40。

27、如圖3.1 所示。圖3.1 STC89C52 的封裝形式引腳功能：·Vcc：電源電壓·GND：接地·P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗轉(zhuǎn)入端用。·Pl口：P1是個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電萌。·P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)

28、部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。·P3口：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用，每一位功能定義如表3.1 所示。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位文 第二章 芯片簡(jiǎn)介表3.1 P3 口的第二功能·RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。·ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存允許

29、)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振器頻率的16輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。·PSEN：程序存儲(chǔ)允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令(或數(shù)據(jù))時(shí)每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。·EAVPP：EA 0，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。EA 1，單片機(jī)訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。XTALI：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位文

30、第三章 系統(tǒng)硬件部分模塊介紹第三章 系統(tǒng)硬件部分模塊介紹3.1 傳感器電路連接模塊加速度計(jì)時(shí)測(cè)量運(yùn)載體線加速度的儀表。在飛行控制系統(tǒng)中，加速度計(jì)是重要的動(dòng)態(tài)特性校正原件。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，高精度的加速度計(jì)是最基本的敏感原件之一。在各類飛行器的飛行試驗(yàn)中，加速度計(jì)是研究飛行器顫振和疲勞壽命的重要工具8。ADXL345是ADI公司最近推出的基于iMEMS技術(shù)的3軸、數(shù)字輸出加速度傳感器。ADXL345具有±2, ±4, ±8，±16g可變的測(cè)量范圍；最高13bit分辨率；固定的4mg/LSB靈敏度；3mm*5mm*1mm超小封裝；40-145uA超低功耗；標(biāo)

31、準(zhǔn)的I²C或SPI數(shù)字接口；32級(jí)FIFO存儲(chǔ)；以及內(nèi)部多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和靈活的中斷方式等特性。所有這些特性，使得ADXL345有助于大大簡(jiǎn)化跌倒檢測(cè)算法，使其成為一款非常適合于跌倒檢測(cè)器應(yīng)用的加速度傳感器。本為給出的跌倒檢測(cè)解決方案，完全基于ADXL345內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)功能和中斷功能，甚至不需要對(duì)加速度的具體數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和復(fù)雜的計(jì)算操作，可以使算法的復(fù)雜性降至最低。3.1.1傳感器模塊連接iMEMS半導(dǎo)體技術(shù)把微型機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路集成在同一顆芯片上。iMEMS加速度傳感器就是利用這種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單軸、雙軸甚至三軸加速度進(jìn)行測(cè)量并產(chǎn)生模擬或數(shù)字輸出的傳感器。根據(jù)不同的應(yīng)用，

32、加速度傳感器的測(cè)量范圍從幾g到幾十g不等。數(shù)字輸出的加速度傳感器還會(huì)集成多種中斷模式。這些特性可以為用戶提供更加方便靈活的解決方案。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高(13位)，測(cè)量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過(guò)SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問(wèn)。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。如圖3.1所示，為傳感器底座，接口電路連接：圖3.1 傳感器連接模塊 此模塊電路主要功能

33、就用于做ADXL345加速度傳感器的一個(gè)轉(zhuǎn)接口，而且利用ADXL345該加速度傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的變化值。相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生模塊。3.2 微處理器模塊51單片機(jī)是對(duì)所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來(lái)隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號(hào)是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場(chǎng)。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般

34、不具備自編程能力。當(dāng)前常用的51系列單片機(jī)主要產(chǎn)品有：*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、華邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的許多產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)宏晶STC單片機(jī)以其低功耗、廉價(jià)、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國(guó)內(nèi)51單片機(jī)較大市場(chǎng)。3.3 顯示模塊液晶顯示器，或稱LCD（Liquid Crystal Display），為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白像素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)

35、備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫(huà)面12。 LCD特點(diǎn)：機(jī)身薄，節(jié)省空間。與比較笨重的CRT顯示器相比，液晶顯示器只要前者三分之一的空間。 省電，不產(chǎn)生高溫。它屬于低耗電產(chǎn)品，可以做到完全不發(fā)熱(主要耗電和發(fā)熱部分存在于背光燈管或LED)，而CRT顯示器，因顯像技術(shù)不可避免產(chǎn)生高溫。 低輻射，益健康。液晶顯示器的輻射遠(yuǎn)低于CRT顯示器（僅僅是低，并不是完全沒(méi)有輻射，電子產(chǎn)品多多少少都有輻射），這對(duì)于整天在電腦前工作的人來(lái)說(shuō)是一個(gè)福音。畫(huà)面柔和不傷眼，不同于CRT技術(shù)，液晶顯示器畫(huà)面不會(huì)閃爍，可以減少顯示器對(duì)眼睛的傷害，眼睛不容易疲勞。在日常生活中，我們對(duì)液晶顯

36、示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過(guò)器件，如在計(jì)算器、萬(wàn)用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡(jiǎn)單，在前面章節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)，在此不作介紹，本章重點(diǎn)介紹字符型液晶顯示器的應(yīng)用。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫(huà)質(zhì)高且不會(huì)閃爍。數(shù)字式接口液晶顯示

37、器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。功耗低相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。1602字符型LCD簡(jiǎn)介：字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長(zhǎng)沙太陽(yáng)人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物如下圖108.2.1 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能160

38、2LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別，兩者尺寸差別如下圖10-54所示：圖10-54 1602LCD尺寸圖1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:16×2個(gè)字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm引腳功能說(shuō)明1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如表10-13所示:編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶

39、顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極表10-13：引腳接口說(shuō)明表第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為

40、低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。圖4 LCD1602液晶顯示電路51單片機(jī)的P2.0，P2.1，P2.2作為L(zhǎng)CD1602顯示器的控制口，把P0口作為數(shù)據(jù)輸出。沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位文 第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本文將以計(jì)步器為例，介紹了計(jì)步器的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法的實(shí)現(xiàn)。該計(jì)步器系統(tǒng)采用STC89C52作為主控芯片，采用ADXL340來(lái)采集加速度數(shù)據(jù)。加速度傳感器ADXL34

41、5LCD液晶顯示器按鍵微控制器STC89C52 SPI 圖2.3 硬5VLDO電源圖4.1 硬件設(shè)計(jì)圖4.2 軟件總體設(shè)計(jì) 程序流程圖：預(yù)采樣結(jié)束清零按鍵按下算法計(jì)數(shù)顯示輸出步數(shù)、里程開(kāi)始按鍵按下輸入?yún)?shù)初始化自適應(yīng)閾值判斷閾值是否有效計(jì)數(shù)Count%500繼續(xù)計(jì)數(shù)（a）主程序流程圖 （b）計(jì)步流程圖圖4.2 程序流程圖不同的人行走會(huì)有不同加速度大小的輸出，因此軟件中動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)置提供了一種自適應(yīng)的方法，來(lái)滿足不同行人的要求。動(dòng)態(tài)參數(shù)包括動(dòng)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)閾值以及加速度傳感器的峰一峰值的輸出。動(dòng)態(tài)精度是用來(lái)量化采樣的數(shù)據(jù)以去除高頻的噪聲；動(dòng)態(tài)閾值滿足下式就可以判斷一步的成立。Old Data>

42、;Dynamic Threshold>New Data。于是在進(jìn)入測(cè)試后首先進(jìn)行預(yù)采樣，進(jìn)行自適應(yīng)，獲得動(dòng)態(tài)閾值。軟件中量化的模塊有兩個(gè)移位寄存器組成：新數(shù)據(jù)寄存器和舊數(shù)據(jù)寄存器。新數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容為動(dòng)態(tài)精度和加速度變化值，當(dāng)加速度變化值大于動(dòng)態(tài)精度時(shí)，這時(shí)的數(shù)據(jù)就可以移位到新數(shù)據(jù)寄存器；當(dāng)加速度變化值小于或者等于動(dòng)態(tài)精度時(shí)，新數(shù)據(jù)寄存器保持不變。舊數(shù)據(jù)寄存器則不斷的更新采樣的數(shù)據(jù)15。為防止不同時(shí)間，人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，設(shè)置軟件每隔50步，重新采樣取得閾值，繼續(xù)計(jì)數(shù)，同時(shí)為防止不同時(shí)間的閾值不同產(chǎn)生的誤計(jì)數(shù)，比如人已經(jīng)停止運(yùn)動(dòng)，但是沒(méi)有按下結(jié)束鍵是，采用前后兩次閾值比較，在某一變化范圍內(nèi)

43、認(rèn)為有效閾值，這樣就避免了錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)，提高了計(jì)數(shù)精度。輸入步長(zhǎng)，在結(jié)束運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以計(jì)算運(yùn)動(dòng)的里程數(shù)，對(duì)鍛煉量進(jìn)行評(píng)估。4.3 算法的實(shí)現(xiàn)在可用于分析跑步或步行的特征當(dāng)中，我們選擇“加速度”作為相關(guān)參數(shù)。個(gè)體（及其相關(guān)軸）的運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)分量，分別是前向（“滾動(dòng)”）、豎向（“偏航”）和側(cè)向（“俯仰”），如圖4.2所示。ADXL345檢測(cè)其三個(gè)軸x、y和z上的加速度。計(jì)步器處于未知方向，因此測(cè)量精度不應(yīng)嚴(yán)重依賴于運(yùn)動(dòng)軸與加速度計(jì)測(cè)量軸之間的關(guān)系。圖4.3 跑步時(shí)的三個(gè)分量讓我們考慮步行的特性。一個(gè)步伐，我們將其定義為單位步行周期，步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間有一定的關(guān)系。要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)步數(shù)首

44、先要對(duì)人走路的姿態(tài)有一定了解。行走時(shí),腳、腿、腰部,手臂都在運(yùn)動(dòng),它們的運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度,并且會(huì)在某點(diǎn)有一個(gè)峰值。從腳的加速度來(lái)檢測(cè)步數(shù)是最準(zhǔn)確的,但是考慮到攜帶的方便,我們選擇利用腰部的運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)步數(shù)16。圖4.3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側(cè)向加速度相對(duì)應(yīng)的x、y和z軸測(cè)量結(jié)果的典型圖樣。無(wú)論如何穿戴計(jì)步器，總有至少一個(gè)軸具有相對(duì)較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測(cè)和針對(duì)所有三個(gè)軸上的加速度的動(dòng)態(tài)閾值決策算法對(duì)于檢測(cè)單位步行或跑步周期至關(guān)重要。圖4.4從一名跑步者測(cè)得的x、y和z軸加速度的典型圖樣 （1）步伐參數(shù)數(shù)字濾波器：首先，為使信號(hào)波形變得平滑，需要一個(gè)數(shù)字濾波器。可以使

45、用四個(gè)寄存器和一個(gè)求和單元，如圖4.4所示。當(dāng)然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)變慢17。圖4.5 數(shù)字濾波器圖4.5顯示了來(lái)自一名步行者所戴計(jì)步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對(duì)于跑步者，峰峰值會(huì)更高。圖4. 6最活躍軸的濾波數(shù)據(jù) 動(dòng)態(tài)閾值和動(dòng)態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新三軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值(Max + Min)/2稱為“動(dòng)態(tài)閾值”。接下來(lái)的50次采樣利用此閾值判斷個(gè)體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動(dòng)態(tài)的。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。除動(dòng)態(tài)閾值外，還利用動(dòng)態(tài)精度來(lái)執(zhí)行進(jìn)一步濾波。步伐邁出的條件定義為：當(dāng)加速度曲線跨過(guò)動(dòng)

46、態(tài)閾值下方時(shí)，加速度曲線的斜率為負(fù)值(sample_new < sample_old)。峰值檢測(cè)：步伐計(jì)數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個(gè)軸計(jì)算步數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計(jì)數(shù)器將忽略。步伐計(jì)數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時(shí)顯得太敏感。當(dāng)計(jì)步器因?yàn)椴叫谢蚺懿街獾脑蚨浅Ｑ杆倩蚍浅＞徛卣駝?dòng)時(shí)，步伐計(jì)數(shù)器也會(huì)認(rèn)為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無(wú)效振動(dòng)。利用“時(shí)間窗口”和“計(jì)數(shù)規(guī)則”可以解決這個(gè)問(wèn)題。“時(shí)間窗口”用于排除無(wú)效振動(dòng)。假設(shè)人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個(gè)有效步伐的時(shí)間間隔在時(shí)間窗口0.2 s - 2.0

47、s之內(nèi)，時(shí)間間隔超出該時(shí)間窗口的所有步伐都應(yīng)被排除。ADXL345的用戶可選輸出數(shù)據(jù)速率特性有助于實(shí)現(xiàn)時(shí)間窗口。表4.1列出了TA = 25°C、VS = 2.5 V、VDD I/O = 1.8 V時(shí)的可配置數(shù)據(jù)速率（以及功耗）。表4.1 數(shù)據(jù)速率和功耗輸出數(shù)據(jù)速率(Hz)帶寬(Hz)速率代碼IDD (µA)32001600111114616008001110100800400110114540020011001452001001011145100501010145502510011002512.510006512.56.250111556.253.125011040此算法

48、使用50 Hz數(shù)據(jù)速率(20 ms)。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間，則說(shuō)明兩步之間的時(shí)間在有效窗口之內(nèi)；否則，時(shí)間間隔在時(shí)間窗口之外，步伐無(wú)效。“計(jì)數(shù)規(guī)則”用于確定步伐是否是一個(gè)節(jié)奏模式的一部分。步伐計(jì)數(shù)器有兩個(gè)工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認(rèn)規(guī)則。步伐計(jì)數(shù)器以搜索規(guī)則模式開(kāi)始工作。假設(shè)經(jīng)過(guò)四個(gè)連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則(in regulation)，那么步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)刷新和顯示結(jié)果，并進(jìn)入“確認(rèn)規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)有效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)更新一次18。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個(gè)無(wú)效步伐，步伐計(jì)數(shù)器就會(huì)返回搜索規(guī)則模

49、式，重新搜索四個(gè)連續(xù)有效步伐。（2）距離參數(shù)根據(jù)上述算法計(jì)算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)距離= 步數(shù)×每步距離 (1)每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長(zhǎng)就會(huì)較長(zhǎng)。參考設(shè)計(jì)每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因此，我們使用每2秒計(jì)數(shù)到的步數(shù)判斷當(dāng)前跨步長(zhǎng)度。表4.2顯示了用于判斷當(dāng)前跨步長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表4.2 跨步長(zhǎng)度與速度（每2秒步數(shù)）和身高的關(guān)系每2秒步數(shù)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秒的時(shí)間間隔可以利用采樣數(shù)精確算出。

50、以50 Hz數(shù)據(jù)速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應(yīng)的指令。處理器利用一個(gè)名為m_nLastPedometer的變量記錄每個(gè)2秒間隔開(kāi)始時(shí)的步數(shù)，并利用一個(gè)名為m_nPedometerValue的變量記錄每個(gè)2秒間隔結(jié)束時(shí)的步數(shù)。這樣，每2秒步數(shù)等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。 雖然數(shù)據(jù)速率為50 Hz，但ADXL345的片內(nèi)FIFO使得處理器無(wú)需每20 ms讀取一次數(shù)據(jù)，極大地減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)。該緩沖器支持四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā)。在FIFO模式下，x、y、z軸的測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO中。當(dāng)FIFO中的采樣數(shù)與FIFO

51、_CTL寄存器采樣數(shù)位規(guī)定的數(shù)量相等時(shí)，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達(dá)每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結(jié)果即可保證實(shí)時(shí)顯示，從而處理器只需每0.2秒通過(guò)水印中斷喚醒一次并從ADXL345讀取數(shù)據(jù)。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，F(xiàn)IFO可以告訴我們中斷之前發(fā)生了什么。由于所述解決方案沒(méi)有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開(kāi)討論。 （3）速度參數(shù)速度 = 距離/時(shí)間，而每2秒步數(shù)和跨步長(zhǎng)度均可根據(jù)上述算法計(jì)算，因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。 速度= 每2秒步數(shù)×跨步/2s   (2)沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位文 第五章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論第

52、五章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們?cè)诓煌沫h(huán)境中做了大量的實(shí)驗(yàn)，加速度采樣頻率設(shè)置為50Hz，表5.1列出了6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)際步數(shù)計(jì)算出的步數(shù)誤差水泥地1100982水泥地21501491草地1100973草地21501491山地1100973山地21501522 根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，計(jì)算出的步數(shù)相比實(shí)際走的步數(shù)誤差<=3，圖6.1是測(cè)試時(shí)串口示波器顯示的步伐波形。 圖5.1是我們對(duì)加速度測(cè)量得出的一段波形的截圖。其中，圓圈標(biāo)記部分為波峰，兩個(gè)相鄰波峰之間部分記為一步，從而得出相關(guān)結(jié)論，完成我們通過(guò)加速度計(jì)記步的要求。圖5.1 加速度測(cè)量的波形5.2 結(jié)論加速度傳感

53、器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，目前加速度傳感器的類型可謂多種多樣，有壓阻式、電容式、壓電式、諧振式、熱傳導(dǎo)式、隧道式、光纖式、熱對(duì)流式等。加速度傳感器的工作原理都是相似的，將由慣性作用產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)或變形轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，加速度傳感器的工藝、精度也日益提高，MEMS技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用更使得加速度傳感器的體積越來(lái)越小，也得到了更廣泛的應(yīng)用。論文中所應(yīng)用的ADI公司生產(chǎn)基于熱對(duì)流效應(yīng)的三軸加速度計(jì)ADXL345，其具有體積小、能耗低、成本低、內(nèi)置溫度測(cè)量等特點(diǎn)。ADXL345是一款出色的加速度計(jì)，非常適合計(jì)步器應(yīng)用。它具有小巧纖薄的特點(diǎn)，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封裝，利用它開(kāi)發(fā)的計(jì)步器已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)療儀器和高檔消費(fèi)電子設(shè)備中。它在測(cè)量模式下的功耗僅40 A，待機(jī)模式下為0.1 A，堪稱電池供電產(chǎn)品的理想之選。嵌入式FIFO極大地減