论文总字数：41591字

目 录

１ 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1 国外发展状况 1

1.2.2 国内发展状况 2

1.3研究内容 2

2 总体设计方案 2

2.1系统功能要求 3

2.2硬件设计方案 3

2.2.1 系统硬件总框图 3

3 硬件设计 4

3.1 系统总电路图 4

3.2 检测电路 5

3.2.1 ADXL345传感器模块 5

3.2.2 （Pulse Sensor）脉搏心率测量模块 7

3.3显示电路 8

3.4 报警电路 10

3.5 主控电路 10

3.5.1 单片机的选择 10

3.5.2 时钟电路和复位电路 13

3.5.3 电源电路 13

4 软件设计 14

4.1主程序设计 14

4.2 加速度传感器的程序设计 16

4.4 按键子程序设计 20

4.5 显示子程序设计 21

5 系统实现 23

6 结论 26

参考文献 26

致谢 28

附录 29

基于stm32单片机的计步器设计

张佳周

，China

Abstract：With the development of the society, people's living standards are improved, but the urban lifestyle tend to be more static than before at the same time. Due to the lack of necessary sports ,people have a lot of health problems which have produced many diseases such as obesity and "three highs", cardiovascular disease and so on. So it is essential for us to obtain our amount of exercise with a convenient way, combined with professional and reasonable sports knowledge, we could make the sport plan we need. In this paper, based on the STM32 microcontroller design, the system can be adopted ADXL345 triaxial acceleration sensor and the heart rate sensor respectively to implement step and measure heart functions, used small LCD screen to display the data, and remind the current steps through the buzzer system at the same time .The system is designed to allow the wearer to obtain know the sports situation timely, to supervise and guide the role. So it’s a good health assistant in human’s daily life.

Key words：pedometer; heart rate measurement; STM32; ADXL345

１ 绪论

　　当前社会，随着智能化生活的进展，人类可以通过高科技手段去更加地完善自己的生活方式，达到自己的生活需求。而本次的计步器系统设计就是其中一个缩影。

1.1课题研究背景与意义

　　在当今21世纪社会中，肥胖问题已经屡见不鲜，成为一种值得我们关注的严峻问题。由于当今都市人群的静态生活方式，肥胖症及其“三高”、心脑血管疾病等并发症的发生率越来越高。医学专家指出：人们每天要有适量的体力运动，使自己保持良好的体力状态，需要将体重控制在合理范围。因为缺乏运动会增加心脑血管疾病的发生概率，当然过量运动也不同样益于身体健康，人们需要把自己每天的运动量控制在一个合理范围内，但在如今一个高效率，快节奏的忙碌的生活，大多数人群很少有机会能够有时间去专门的地方如健身房、体育馆等处进行锻炼，因此时常的走路成为了我们运动的常态。可我们如何了解自己的步行里程，来判断自己今日的行走达到健康运动的标准？如何根据健康的计划，制定我们日常的运动日程？这些因素就更加促使人们需要了解自己每日的运动量，而所以本次设计计步器就应运而生了，针对人体的运动特征，可以更加细致地得到我们运动的状况。这样就便于我们通过相关步数和卡路里的消耗关系，督促自己，使自己能够制定个合理的健康运动计划，帮助自己更好的健康生活。

1.2国内外研究现状

当今世界科技的发展，人们对健康的关注，使得运动时计步器的发展如火如荼，而现代的计步器已经不再单纯具备计步功能。大多数的智能手表、手环如苹果公司的iphone watch、华为的zero手环等在推广其进步先进的计步功能的同时，还具备着测心率、短信、通话、短信消息提醒等功能，极大地丰富了智能佩戴的多功能性，开创了智能运动的新形势。

1.2.1 国外发展状况

早在1517年，达芬奇就萌发了计步器的创意，而在其150年后的1667年诞生了世界上最早的计步器。虽然早在中世纪人类就已经发明了计步器但是因为发明者对其的正确用途并未很好的认知所以那时候计步器并未被人类社会广泛使用。而在上个世纪中期，欧洲人根据钟摆原理研制出了第一个加速度计，此后加速度计随着各种技术的研发迅猛地发展起来。而在上个世纪60年代中期，日本贸易市场开始引进计步器。后来，随着计步器的发展，冲通意义上的机械式计步器开始逐渐被现代化的电子智能计步器所替代。到了如今，随着智能佩戴推广、普及化，欧美国家包括日本，所采取的更高级的传感器技术使得的智能计步器的步数更加精确误差更加缩小，其功能性也呈现混合多元化^[14]。

1.2.2 国内发展状况

　　当前国内在加速度技术上普遍使用压电技术，精度不高而且仪器相对笨重，影响了我国惯导技术的发展。我国在80年代末涉足的MEMS的研究至今取得了较为辉煌的成果：据目前权威机构的认证，我国自主研发的振动机械陀螺零偏稳定性达到了70°/h，随机游走噪声达到30°/h^[3]。尽管国内的几家大公司都推出了它们的研发智能佩戴产品，但由于基础薄弱投入资金有限和研究人员不够，其研发技术和研制出的产品与发达国家相比还有一定的差距，在批量生产时性能的稳定性、精准性和器件的完整性上还有待提高。

1.3研究内容

本次设计是采用了以单片机STM32为处理器的计步器系统，并在此基础之上，设计了该系统的硬件系统，并同时进行了软件方面的编程，从而达到对硬件系统的精确控制。

（1）计步器原理及发展状况的研究

主要通过对市面上常见的计步器设计功能进行比对，查阅相关论文文献，了解计步器的原理、构成及发展现状。

1. 人体运动特性的分析

综合考虑人体的运动特性，寻找在一个运动周期内，各个阶段的状态中前进方向和垂直方向所产生的加速度变化的关系。

1. 步数检测算法的实现

基于对人体运动特性的分析，设计合理的算法，准确高效的对运动特征进行提取，检测出佩戴者的运动步数。

1. 附加功能检测心率的实现

基于人体的心率与动脉血液流动之间的联系，通过较为先进的传感器，将数据表达出来，传输给处理器端。

（5）蜂鸣器提醒步数的实现

（6）实际系统的设计

针对选定的硬件资源，设计合理的硬件系统，并进行软件编程，实现步数采集的功能，并且开发步数采集之外心率采集，步数提醒等辅助功能。

2 总体设计方案

针对本次设计研究对象计步器所需要的功能性质，此次主要采用以STM系列之中的单片机为操作核心和c语言进行的软件编程来实现我们所需功能。

2.1系统功能要求

1. 加速度传感器测量出当前用户的加速度阈值的周期性变化测量出用户行走的步数并通过AD转换将数据传输给系统显示端。
2. 心率传感器能利用人体血管充血容积的周期性变化测量出当前用户的心率并通过AD转换将数据传输给系统显示端。
3. 当用户的行走步数达到10的倍数时报警系统会发出逐渐延长的声音提醒用户当前的行走步数使用户能够较为轻松地掌握自己的运动状况。

2.2硬件设计方案

　　本次硬件设计方案主要是对完整硬件系统的搭建，使其能够实现系统的基本功能。

2.2.1 系统硬件总框图

本次硬件系统设计采用的是以单片机STM32为处理器。当供电电源启动后，由加速度传感器和心率传感器通过光电感应，检测到所需测量的传感器峰值数据后，通过串口将数据传输给单片机STM32，经过相应的AD转换将模拟信号转换为相应的数字信号，通过系统编程指令将数据显示在TFT液晶显示屏上，在步数达到10的整数倍时蜂鸣器会发声提醒，以此更加直观的了解运动情况。

图2.1 系统组成框图

系统模块功能如下：

AXL345传感器：给单片机提供测量角度，可以换算步数。

心率传感器：测量佩戴者心率的跳动状态情况。

单片机：为本次设计的核心部分，用于调配、处理信息。

液晶显示屏：用来显示运动状态和心率状态。

蜂鸣器：用来实时提醒步数。

3 硬件设计

硬件设计是一个完整系统的根基所在。我们在选择各部分元件时要做到面面俱到，充分完善系统的结构设计并能基本实现系统功能。而本次系统的硬件设计大体上可以划分为感应所测数据的检测电路、显示图像的显示电路、提示运动情况的报警电路、硬件电路的大脑核心主控电路几部分。

3.1 系统总电路图

图3.1 系统总电路图

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