摘 要

如今这个物质富足的时代，人人都注重锻炼身体，通过运动来保持年轻健康的身体或者达到减肥瘦身的目的。而最简单最容易被人们采取的运动形式就是走路或跑步了。因此设计一个便携在精度高的计步器成为了当下的必然需求。早期计步器的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。通过计步器获得的数据，可以用来计算人的运动情况从而分析人体的健康状况，有利于我们保持年轻健康的身体。

本文主要研究了基于加速度传感器ADXL345的计步器的设计，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的加速度信号，更加准确。而且三轴加速度传感器ADXL345内置了A/D转换功能，其输出信号通过数字滤波器后传送给单片机。软件采用自适应算法实现计步功能，减少计数误差，更加精确。单片机STC89C52控制液晶显示器显示计步状态。整机工作电流只有1-1.5mA，实现超低功耗。

关键词：三轴加速度传感器；计步器；ADXL345；STC89C52

Abstract

In this age of material abundance, everyone pays attention to exercise, to maintain a healthy young body through exercise or to slim down. The simplest and easiest form of movement is walking or running. Therefore, the design of a portable in the precision of the pedometer has become the inevitable demand of the present. The early pedometer was designed to take advantage of heavier mechanical switches to detect the pace and carry a simple counter. The data obtained by the pedometer can be used to calculate the human motion and thus analyze the health condition of the human body, which will help us to keep our young and healthy body.

This paper mainly studies the design of the pedometer based on the accelerometer ADXL345, unlike the traditional mechanical sensor, ADXL345 is a capacitive triaxial sensor, which captures the acceleration signal when the human body is moving, which is more accurate. And the triaxial accelerometer ADXL345 built-in A/D conversion function, its output signal passes through the digital filter to transmit to the monolithic integrated system. The software adopts the adaptive algorithm to realize the step function, reduce the counting error and more accurate. Single-chip microcomputer STC89C52 control LCD display step state. The working current of the machine is only 1-1.5ma to realize ultra-low power consumption.

Key words: Three-axis acceleration sensor； pedometer；ADXL345； STC89C52

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 加速度传感器研究现状 2

1.2.2 计步器研究现状 2

1.3 论文主要内容 3

第二章 运动轨迹检测系统的基本原理 4

2.1 加速度传感器工作原理 4

2.2 运动轨迹估计原理 5

2.3 误差分析与处理 8

2.3.1 误差分析 8

2.3.2 误差处理 8

第三章 计步器硬件设计 10

3.1 系统总体设计方案 10

3.1.1 设计要求 10

3.1.2 单片机芯片的选择方案和论证 10

3.1.3 显示模块选择方案和论证 10

3.1.4 传感器的选择方案和论证 11

3.1.5 系统最终方案设计 12

3.2 主要器件选型 12

3.2.1 STC89C52单片机简介 12

3.2.2 ADXL345三轴加速度传感器简介 14

3.2.3 LCD1602简介 16

3.3 系统电路设计 16

3.3.1 系统主控模块设计 17

3.3.2 加速度传感器模块设计 18

3.3.2.1 I²C串行总线简介 18

3.3.2.2 ADXL345与单片机的连接 18

3.3.3 显示模块设计 20

第四章 计步器软件设计 21

4.1 计步器算法的实现 21

4.2 系统程序设计 23

4.2.1 系统初始化程序 23

4.2.1.1加速度传感器初始化 23

4.2.1.2 I²C接口初始化 24

4.2.2 传感器数据读取程序 25

4.2.3 数据处理程序 27

4.2.4 数据显示程序 28

第五章 总结 29

参考文献 30

附录A 总电路图 31

附录B 程序清单 32

致谢 47

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

众所周至，宇宙中万事万物无时无刻不在运动，过去一段时间内，我们对物体运动状态的检测大都采用外部观测法，也就是检测系统往往与待检测物体是分离的。例如，我们利用全球定位系统对物体进行定位、导航以及轨迹检测。这种方法虽然精度高，测量范围广，但是它更适合军用，或者较大型的活动赛事，不太适合人们日常用来检测自身的运动情况，分析自身的身体状况，而且这种检测系统往往需要昂贵的设备，分布广阔的观测系统，体积庞大，成本较高，不利于在人们日常生活中推广。

近年来，随着微机电系统MEMS技术的发展，体积更小、成本更低、性能更卓越的新型传感器越来越多的出现在我们的视野之中。MEMS是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内，集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体，具有微型化，智能化，多功能，高集成度等特点。

同时，智能穿戴与移动健康技术市场的不断增长，促进了MEMS运动传感器市场的增长。小米科技公司于2014年7月22日正式推出了第一款具有监测运动量，走路跑步效果的智能手环，该手环能记录步数，运动距离，消耗的卡路里，它配备了加速度传感器ADXL362，从而来捕捉手环使用过程中的加速度变化，进而转换为运动距离，步数等运动信息；苹果公司于2014年9月9日公布全新产品Apple Watch，该智能手表具有计步，检测运动距离、时间，地图导航等功能；华为公司于2015年4月推出的Talk Band B2则内置了6轴加速度传感器，能更加准确地记录用户的运动步数，计算每日消耗的卡路里、运动距离和时间，还可以自动识别和记录用户的多种运动路线和频率，包括走路、跑步、爬山以及骑车等。

1.1.2 研究目的及意义

虽然外部检测系统精度高，但是其代价通常也高，它价格昂贵，使用场景有限，不符合人们对一个日常使用的计步器的要求，而本文基于加速度传感器设计的计步器，使用场景灵活，不受外部环境限制，小巧便捷，价格低廉，适合大范围推广民用。而如今许多计步器除了有计步功能，记录运动的卡路里，距离，速度和时间也是计步器通常带有的功能，这些功能都非常普遍。作为一个与时俱进的大学生，当然应该紧密关注当下的科技潮流，跟上时代的脚步，来探究计步器的工作原理。

其中本文讨论的以加速度传感器为基础的计步器正好利用了加速度特性来进行分析，在行走或跑步过程中人体的多处部位都在运动，会产生相应的加速度，加速度的大小和方向都会随时间发生改变，利用加速度传感器实时监控人体运动过程中的加速度，利用传感器获得的数据，传输给单片机，通过单片机算法估算运动距离，计算步数，再将步数和速度信息传输给显示器显示。该方法因为测量精度高，成本低廉，器件封装体积小，便于携带，轻巧，而且计步算法容易实现，计步原理简单等种种优点逐渐成为计步器市场上的代表。

因此，研究出一个体积小巧，便于携带，方便使用，精度高，成本低的计步器是很有必要的，只有这样的计步器才能在市场上大范围推广，才能吸引更多人们的关注。而且在现在这个生活节奏快的时代，计步器也是都市上班族的必备日用品，在工作之余，可以通过计步器来督促自己坚持锻炼。对于老年人来说，计步器更是检测自己每天的运动情况，维持身体健康的一个重要的仪器。外部检测运动轨迹的方法，并适合推广给人们日常使用，所以，在这个时代的推动下，设计一款便携智能的计步器，已经成了时下的必然趋势。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 加速度传感器研究现状

20世纪40年代初，德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。随着微机电系统技术的发展，微加速度计制作技术越来越成熟，国内外都将微加速度计开发作为微机电系统产品化的优先项目。微加速度计与通常的加速度计相比，具有很多优点：体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性好等。因此，它可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域，具有广阔的应用前景。

加速度传感器最早始于上世纪三、四十年代的摆式积分陀螺加速度传感器和宝石轴承摆式加速度传感器，六、七十年代，液浮摆式加速度传感器，挠性加速度传感器，电磁加速度传感器等相继问世，八十年代，加州大学伯克利分校首次在硅片上采用微机械加工工艺来生产微硅单维加速度计，目前典型的MEMS工艺加速度传感器包括压阻式加速度传感器，热电偶式加速度传感器，电容式加速度传感器，谐振式加速度传感器等。

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