基于3轴加速度计ADXL345的全功能计步器设计谈球吧体育

2023-08-07 16:47:30

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　　1、基于3轴加速度计adxl345的全功能计步器设计 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。比如人在运动时会产生加速度。本文介绍了利用人运动时产生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，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，采集到加速度数据以后加以适

　　9、信模式简介16 4.1.2 传感器模块连接.184.2 微处理器模块194.3 eeprom模块224.4 显示模块235 软件设计255.1 软件总体设计255.2 算法的实现266 结论32致 谢33参考文献34附录1 加速度计步器adxl345简介36附录2 整机电路图38附录3 源程序391 绪 论随着社会的发展，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

　　10、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，

　　11、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。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，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ic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。2 课题研究背景

　　12、及意义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。2.1 光电计步器在本设计中，提出了一种监测手术后病人运动的数字光电计步器开发的介绍。经过整形或心血管手术，病人运动必须受到限制，然而，由医生决定的大量的日常活动是必要的

　　13、。步计数器为计算定量检测的病人步数开发的，它是利用在病人的鞋上安装高性能的光电发射器和一个高灵敏度光电接收器1。当计数达到预先设定的步骤（每周或每天）设定值时，病人是一个警告，要他们停止进一步的警告声音或视觉活动。光电学的发展提供了高效率的单色光源（发光二极管 - 发光二极管）和高度敏感的探测器设计。这些设备的制造提供了光电传感方法和研究方法的新尝试和新的发展。经过整形或心血管手术，一些病人运动受到限制，每日步行活动一定的数额。基于这个目的，我们需要一个简单的计数器。现在对步数计数的方法有很多种，其中一种是使用水银开关来检测运动。该系统采用开关虽然结构简单，但在接触中增加了错误的概率计算，因为

　　14、该系统可能在病人运动开始前计数。另一个不利之处是，随着时间的接触，开关失去弹性。计步器必须有小尺寸，必须可编程的，具有成本效益，以及抵抗外部的干扰。光电系统会受到外部影响影响，如阳光，一些外部因素，光照等。然而，减少这些外部影响的方法已被开发并经常使用。计步器应该在达到适当的值时，达到报警，并且应该不会影响其他电子设备。光电器件满足这些条件，光电器件的能量消耗低，可在小尺寸设计，不影响其他设备。由此提出了一种监测手术后病人运动的数字光电计步器开发的介绍。经过整形或心血管手术，病人运动必须受到限制，然而，由医生决定的大量的日常活动是必要的。步计数器为计算定量检测的病人步数开发的，它是利用在病人的

　　15、鞋上安装高性能的光电发射器和一个高灵敏度光电接收器。当计数达到预先设定的步骤（每周或每天）设定值时，病人是一个警告，要他们停止进一步的警告声音或视觉活动。该系统结构包含一个光源和光探测器部分。光源部分包括一个红外led和一个脉冲的来源。该探测器的部分包括一个光电二极管，其频谱类似的led。放大器连接到光电探测器的输出。扩增信号是由一个计数器上的微处理器输入。下面是光电计步器原理图。 图2.1 光电计步器原理图该系统安装在病人的鞋上，不限制病人的行动。为系统提供的能源是来自一个电池，为节约能源消费，设计为当病人穿上鞋子时开始工作。电源开关被放置在鞋底。脉冲间隔时间选择为5毫秒，分别减少了电路的平

　　16、均电流。该探测器连接了一个可编程的数字电路。数字电路包含一个微处理器和一个液晶显示屏。需要计的步数可以使用set和上下按钮来显示，当计数达到当前步数的设定值时，蜂鸣器报警，并给出让他的病人停止的信号。这一计步器也可以用来评价运动员的表现，即在一个确定的评估期间，足球运动员的演习。在这种情况下，发射接收器成对对安装在运动员的鞋底，步数的计数是由计算机控制。2.2基于射频技术的短跑训练计步器设计了一种用于短跑训练中计量步频和步长的计步器20-22。该系统基于射频技术，由阅读器和射频卡两部分组成。射频卡采用 msp430超低功耗单片机实现计步数据 的处理。阅读器应用 了桥式推挽驱动技 术 ，实现远距

　　17、离 的可靠 信息传输 实验表 明，该系统具有较高的安全性和可靠性，用于某校体育训练，对训练成绩的提高有明显的效果。该计步器是一种用于短跑训练中计量步频和步长的计步器。该系统基于射频技术,由阅读器和射频卡两部分组成。结构框图如下图所示显示器放大电路检波电路耦合电路单片机蜂鸣器分频电路振荡电路驱动电路上拉机图 2.1阅读器结构框图水银开关单片机脉冲驱动耦合电路图 2.2 射频卡结构框图射频卡采用msp430超低功耗单片机实现计步数据的处理。阅读器应用了桥式推挽驱动技术,实现远距离的可靠信息传输。实验表明,该系统具有较高的安全性和可靠性,用于某校体育训练,对训练成绩的提高有明显的效果。射频卡具有体积

　　18、小、质量轻的特点。它装在运动员的跑鞋上，用来计量运动员的步数。阅读器装在跑道一侧，当运动员从阅读器旁通过时，能自动将运动员的实时步数加以记录，在跑道上可以同时安装多个阅读器，这样可以将运动员在各个不同阶段的步长和步频记录下来。单片机通过软件在每个卡中设置一个唯一的编码 (即卡号)，它相当于运动员身份证。同时与单片机相连的还有一个水银开关，当运动员每走一步时，水银开关通断一次，单片机对水银开关的脉冲进行计数，从而将运动员的步数记录下来。当射频卡靠近到阅读器时，它接收到阅读器耦合电路的无线电波能量，经整流滤波后对射频卡供电。同时给单片机中断信号，单片机将卡号和记录的步数数据进行曼彻斯特编码，然后通

　　19、过脉冲驱动电路将编码信号发出。脉冲驱动电路根据单片机送来 的编码信号，控制并接在射频卡耦合 电路两端的负载电阻，当高电平时电阻接入耦合电路，低电平时，电阻不接人耦合电路。根据变压器原理，当负载变化时变压器 的原副电压电流均将发生变化，从而将信号传递给阅读器。本计步器采用msp430超低功耗单片机和桥式推挽驱动技术，实现低功耗和远距离的信息传输，为运动员的动作设计和体力分配提供科学依据。 2.3 基于加速度传感器的计步器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

　　20、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adxl340的计步器3-4。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adi的aduc7026作为主控芯片，采用adxl340来采集加速度数据，最后通过usb接口与上位机进行高速数据传输。cy7c68013是cypress公司在2000年11月推出的世界第1块usb2.0功能设备芯片，完全适用于usb2.0，并向下兼容usbl.1，其内置增强型805l微控制芯片口。它提供了一个基于ram的软解决方案，允许无限制地配置与升级。另外，cy

　　21、7c68013使用的是智能型的sie（串行行接口引擎)，能够执行所有的usb枚举过程，通过预设的端点和可选的设置创建一个缺省的usb设备，这样，就可以将usb的固件存储在主机上，而不必存入usb芯片中，大大减轻了固件的工作，简化了固件的编程。集成ic兼容的控制模块，在usb设备接入主机后，usb是根据外部ic总线接口上的一个串行eprom中进行配置的。硬件设计框图如下：电源6v16个led5vldo3.3vldocy7c68013加速度传感器adxl340lcd液晶显示器键盘微控制器aduc7026 usb interfaceic 图2.3 硬件模块图图2.3 硬件模块图3 adxl3xx系列

　　22、产品简介及本次设计方案的提出如今，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。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度传感器的工作原理：敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号，进入前置放大电路，经过信号调理电路改善信号的信噪比，再进行模数转换得到数字信

　　23、号，最后送入计算机，计算机再进行数据存储和显示。当传感元件以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，发生与加速度成正比a的形变，使悬臂梁也随之产生应力和应变。该变形被粘贴在悬臂梁上的扩散电阻感受到。根据硅的压阻效应，扩散电阻的阻值发生与应变成正比的变化，将这个电阻作为电桥的一个桥臂，通过测量电桥输出电压的变化可以完成对加速度的测量。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，

　　24、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。3.1 adxl335, adxl345和 adxl346三轴加速度计的区别加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变

　　25、形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个一自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善系统的动态品质。分类和工作原理加速度计的类型较多：按检测质量的位移方式分类有线性加速度计(检测质量作线位移)和摆式加速度计（检测质量绕支承轴转动）；按支承方式分类有宝石支承、挠性支承、气浮、液浮、磁悬浮和静电悬浮等；按测量系统的组成形式分类有开环式和闭环式；按工作原理分类有振弦式、振梁式和摆式积分陀螺加速度计等；按输入轴数目分类，有单轴、双轴和三轴加速度计；按传感元件分类，有压电式、压阻式和电位器式等。通常综合几种不同分类法的特点来命名一种加速度计。美国d

　　26、evices公司的adxl系列芯片即为一个3轴（x轴、y轴、z轴）的加速度传感器，传感器可以检测出三个标轴的加速度变化，这3个轴正好可以分别代表人体运动时3个方向。adi公司的3轴加速度计adxl335, adxl345和 adxl346小巧纤薄，功耗极低，非常适合这种应用。3.1.1 adxl335的简介、特点及功能框图adxl335是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三轴加速度计,提供经过信号调理的电压输出,能以最小3 g的满量程范围测量加速度。它可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度,以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。用户使用cx、cy和 cz引脚上的电容 xout、yout和zout

　　27、选择该加速度计的带宽。可以根据应用选择合适的带宽,x轴和y轴的带宽范围为0.5 hz至1600 hz,z轴的带宽范围为0.5 hz至550 hz。adxl335提供小尺寸、薄型、16引脚、4 mm 4 mm 1.45 mm塑料引脚架构芯片级封装(lfcsp_lq)。adxl335的 特点：（1） 三轴检测。（2） 小尺寸、薄型封装 4 mm 4 mm 1.45 mm lfcsp。（3）低功耗：350 a（典型值）。 （4）单电源供电：1.8 v to 3.6 v。 （5）抗冲击能力：10,000 g。（6）出色的温度稳定性。 （7）通过各轴的一个电容调整相应的带宽。 （8）符合rohs/wee

　　28、e无铅要求。adxl335 功能框图： 图3.1 adxl335 功能框图图3.2 adxl335引脚图3.1.2 adxl346的简介、特点及功能框图adxl346是一款在16 g感应范围下可实现高分辨率(13位)感应的小尺寸、薄型、超低功耗的三轴加速度计。数字输出数据以16位二进制补码格式提供,可以通过spi(三线制或四线制)或ic数字接口读取。adxl346非常适合用于移动设备应用。这款器件能够测量在倾斜感应应用中的重力静态加速度,也能够测量由于运动或震动引起的动态加速度。它具有高分辨率(4 mg/lsb)特性,因此能够分辨仅为0.25的倾角变化。 这款加速度计还提供几种特殊感应功能。动

　　29、态和静态感应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。轻敲(tap)感应功能可以检测单次以及双重轻敲的动作。自由落体的感应可以检测设备是否正在落下。这些功能可以映射到两个中断输出引脚中的某个引脚上。这款加速计集成的32级先进先出(fifo)缓冲器可用来存储数据,以将主处理器干预降至最低。4个方位和6个方位的感应均可用于二维和三维应用。低功耗模式可通过在极低的功耗下的阈值感应和主动加速度测量,实现基于运动的智能电源管理。adxl346 特点如下：（1） adxl346采用小尺寸、厚度为0.95mm的薄型封装。（2） 超低功耗：在vs = 1.8 v下25a至145a

　　30、(典型值) （3） 根据带宽自动调整功耗 （4） 用户可选的分辨率：固定10位分辨率；全分辨率,分辨率随感应范围增加,在 16g时分辨率高达13位(在整个感应范围内保持4 mg/lsb的比例系数) （5） 32级输出数据fifo将主处理器负载降至最低 （6） 单次轻敲/两次敲击检测 （7） 动态/静态监测 （8） 自由落体检测 （9） 4个和6个方位感应 （10）电源和i/o电压范围：1.7 v至2.75 v adxl346 功能框图及引脚图如3.3、图3.4所示： 图3.3 adxl346 功能框图图3.4 adxl346引脚图3.1.3 adxl345的简介、特点及功能框图adxl345是

　　31、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线线）或者ic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。一个集成的32级

　　32、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：（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） i/o电压范围：1.7v至vs。（10）s

　　33、pi（3线线）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：3mm5mm1mm，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i

　　34、phone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3.5 adxl345功能框图图3.6 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

　　35、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。 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。3.2 本次系统总体设计方案的提出3.2.1 adxl345中断和寄存器功能分析adxl345丰富的功能是通过使用寄存器来实现的。这些丰富的寄存器。用以选择数

　　36、据格式、nf0工作模式、数字通信模式、节电模式、中断使能以及修正各轴偏差等等。 adxl345具有两个可编程的中断管脚：int1和int2。以及data_ready、single_tap、double_tap、activity、inactivity、free_fall、watermark、overrun，共计8个中断源。每个中断源可以独立地使能或禁用，还可以灵活地选择是否映射到int1或int2中断管脚。所有的功能都可以同时使用，只是某些功能可能需要公用中断引脚。中断功能通过int_enable寄存器地相应位来选择使能或禁用，通过int_map寄存器地的相应位来选择映射到int1管脚或int2

　　39、ctivity中断，用户还可以自由选择dc coupled工作方式或者ac coupled工作方式。其区别在于，dc coupled工作方式下，每个采样点地加速度值将直接与门限（thresh_act或thresh_inact）进行比较，来判断是否发生中断。ac coupled工作方式下，新的采样点将以之前的某个采样点为参考，用两个采样点的差值与门限（thresh_act或thresh_inact）进行比较，来判断是否发生中断；ac coupled工作方式下的activity检测，是选择检测开始时的那一个采样点作为参考，以后每个采样点的加速度值都与参考点进行比较。如果它们的差值超过门限（thre

　　40、sh_act），则activity中断置位。accoupled工作方式下的inctivity检测，同样要选择一个参考点。如果新采样点与参考点的加速度值超过门限（thresh_inact）参考点会被该采样点更新。如果新采样点与参考点的加速度差值小于门限（thresh_inact），并且持续超过一定时间 （time_inact）则inctivity置位。 （6）free_fall 当加速度值低于一定门限（thresh_ff）并且持续超过一定时间（time_ff）时，free_fall中断置位。与inactivity中断的区别在于，free_fall中断主要用于对自由落体运动的检测。因此，x、y、z

　　41、轴总是同时被使能或禁用；其时间设定也比inactivity中断中要小很多，time_ff可以设定的最大值为1.28s；而且free_fall中断只能是dccoupled工作方式。（7） watermark 当fifo里所存的采样点超过一定点数（samples）时，watermark中断置位。当fifo里的采样点数小于该数值（samples）时，watermark中断自动清除。需要指出的是，adxl345的fifo最多可以存储32个采样点（x、y、z三轴数值），且具有bypass模式、普通fifo模式、stream模式和trigger模式，一共4种工作模式。fifo功能也是adxl345的一个重

　　42、要且十分有用的功能。但是本文后面给出的解决方案中没有用到fifo功能，所以，在此不做详细介绍。（8）overrun 当有新采样点更新了未被读取的前次采样点时，overrun中断置位。overrun功能与fifo的工作模式有关，当fifo工作在bypass模式下，如果有新采样点更新了datax、datay和dataz寄存器里的数值，则overrun中断置位。当fifo工作在其它三种模式下，只有fifo被存储满32点时，overrun中断才会置位。fifo里的采样点被读取后，over中断自动清除。3.2.2 系统总体设计 如图3.7所示，该计步器总共由加速度传感器、主控mcu、显示模块组成。传感器

　　43、采集数据，经内部a/d转换后，输入单片机内部，将数据处理后输出液晶显示，存入eeprom存储。内部功能框图如图2所示其基本工作流程为：首先由三轴敏感单元敏感3个方向加速度(严格意义上称为比力)，然后通过电子感应器件将感应到物理量模拟化再通过a/d采样转换成数字信号经过模数转换后送往控制与中断逻辑。在命令字的控制下通过串行i/o口与主设备交互。sdo、sda、sclk为加速度传感器的三个方向的加速度输出，ra0、ra1、ra2为单片机三个通用i/o输入口，数据经单片机处理后由液晶输出，同时可以存入eeprom。 sdo加速 sda度传感 sclk器adxl345 微处 理 器pic pic 18

　　44、f452 18f4 sclk sda ra0n55110显示液晶eepronmsclksdara2ra1图3.7 计步器总体框图传统的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。adxl345是美国di公司推盘的一款低成本、单芯片，三轴加速度传感器。该微型电容式加速度传感器融合了信号调理、单掇低通滤波器和滠度补偿技本，并提供四种加速度范围。adxl345是一个三轴(x轴、y轴和z轴)模拟输出的加速度传感器，正好可以作为垂直、前向和侧向三个方向的传感

　　45、器。利用mems(微机电系统)加速度传感器制作工艺，很容易地和传统的cmos工艺结合起来，克服了机械式的准确性和灵敏度低的缺点。 4 系统硬件设计各模块电路4.1 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。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*5

　　46、mm*1mm超小封装；40-145ua超低功耗；标准的ic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。4.1.1 adxl345的两种串行通信模式简介adxl345可采用spi和ic两种通信方式。上述作为从机运行。cs引脚应始终上拉至vddi/o，ic模式使能。cs引脚应始终

　　47、上拉至vddi/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ic两种操作模式下，应忽略从adxl345传输到主器件的数据。对于spi，可3线的连接图所示。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ad

　　48、xl345，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10千欧电阻下拉至接地。 图4.1 3线线式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)r/w位后的多字节位。寄存器寻址和数据的第一个字节

　　49、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，移位才随之终止，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。spi通信速率大于或等于2 mhz时，推荐采用3200hz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800hz的输出数据速率，剩余的数据传输速率按比例增减。例如，200hz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。如图4.3所示，cs引脚拉高至vddi/o

　　50、，adxl345处于ic模式，需要简单2线ic总线日，nxp semiconductors提供）。如果满足了总线 khz）数据传输模式。支持单个或多个字节的读取/写入。alt address引脚接地，可以选择备用ic地址0x53（随后r/w位）。这转化为0x3a写入，0x3b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。使用ic时cs引脚必须连接至vdd i/o，alt a

　　51、ddress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400khzic时，最大输出数据数率为800hz，与ic通信速度按比例呈线khzic时，dor最大限值为200hz。以高于推荐的最大值和最小值范围的输出数据数率运行，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4.3 ic连接图如果有其他器件连接到同一ic总线，这些器件的额定工作电压电平不能高于vdd i/o0.3v以上。ic正确操作需要外接上拉电阻rp。4.1.2 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

　　52、，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，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c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4.4所示，为传感器底

　　53、座，接口电路连接： 图4.4 传感器连接模块此模块电路主要功能就用于做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。 4.2 微处理器模块pic单片机（peripheral interface controller）是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路（ic）。一种具有分散作用（多任务）功能的cpu。与人类相比，大脑就是cpu，pic 共享的部分相当于人的神经系统。 pic 单片机是一个小的计算机 。pic单片机有计算功能和记忆内存像cpu并由软件控制允行。然而，处理能力存储器容量却很有限，这取决于pic的类型。

　　54、但是它们的最高操作频率大约都在20mhz左右，存储器容量用做写程序的大约1k4k字节。 时钟频率与扫描程序的时间和执行程序指令的时间有关系。但不能仅以时钟频率来判断程序处理能力，它还随处理装置的体系结构改变（1*）。如果是同样的体系结构，时钟频率较高的处理能力会较强。 这里用字来解释程序容量。用一个指令（2*）表示一个字谈球吧体育。通常用字节（3*）来表示存储器（4*）容量。一个字节有8位，每位由1或0组成。pic16f84a单片机的指令由14位构成。当把1k个字转换成位为：1 x 1,024 x 14 = 14,336位。再转换为字节为：14,336/(8 x 1,024) = 1.75k。在计算存储

　　55、器的容量时，我们规定 1g 字节 = 1,024m 字节, 1m 字节 = 1,024k 字节, 1k 字节= 1,024 字节. 它们不是以1000为倍数，因为这是用二进制计算的缘故。 1*计算机的物理结构,包括组织结构、容量、该计算机的cpu、存储器以及输入输出设备间的互连。经常特指cpu的组织结构,包括它的寄存器、标志、总线、算术逻辑部件、指令译码与执行机制以及定时和控制部件。 2*指出某种操作并标识其操作数(如果有操作数的线*作为一个单位来操作(运算)的一个二进制字符串,通常比计算机的一个字短。 4*处理机内的所有可寻址存储空间以及用于执行指令的其它内存储器。 在计

　　56、算存储器的容量时，我们规定1g字节 = 1,024m字节, 1m字节 = 1,024k 字节, 1k 字节= 1,024 字节. 它们不是以1000为倍数，因为这是用二进制计算的缘故。 用pic单片机使电路做的很小巧变得可能。 因为pic单片机可以把计算部分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内。所以她工作起来效率很高、功能也自由定义还可以灵活的适应不同的控制要求，而不必去更换不同的ic。这样电路才有可能做的很小巧。本系统中是以pic18f452为主控芯片来设计的，区别于一般的mcs-51单片机的总线结构是冯-诺依曼型、单指令流水线结构。pic单片机的总线结构是哈佛结构、双指令流水线、数据空间是完全分开的， 可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐率。也是因为哈弗结构程序和数据总线可以采用不同的宽度，数据总线就是数据总线位的一款单片机。另外pic单片机的所有寄存器，包括i/o口，定时器和程序计数器等都采用ram结构形式，而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作谈球吧体育。如图4.5所示，主控模块由pic18f452为主要部分，外接一个16m的晶振，接上vcc和地构成最小系统模块。图4.5 主控制器最小系统电路晶振的作用就是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号。没有晶振，就没

　　58、有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。 单片机工作时，是一条一条地从rom中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了16mhz晶振，它的时钟周期是1/16us，它的一个机器周期是16(1/16)us，也就是1us。 机器周期不仅对于指令执打有着重要的意义，而且机器周期也是单片机定时器和计数器的时间基准。例如一个单片机选择了16mhz晶振，那么当定时器的数值加1时，实际经过的时间就是1us，这就是单片机的定时原理。接在晶振旁的两个电容叫负载电容。一般单片机的晶振工作于

　　59、并联谐振状态，也可以理解为谐振电容的一部分。它是根据晶振厂家提供的晶振要求负载电容选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差。也能保证温漂等误差。两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。4.3 eeprom模块eeprom (electrically erasable programmable read-only memory)，电可擦可编程只读存储器-一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 eeprom 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。eeprom（电可

　　60、擦写可编程只读存储器）是可用户更改的只读存储器（rom），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像eprom芯片，eeprom不需从计算机中取出即可修改。在一个eeprom中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，eeprom的寿命是一个很重要的设计考虑参数。eeprom的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。 eeprom,一般用于即插即用（plug & play）。常用在接口卡中，用来存放硬件设置数据。 也常用在防止软件非法拷贝的硬件锁上面。24lc064是一款小容量的eeprom，主要用于用户信息的存取，利用eeprom的掉电不丢失性，在设计中主

　　61、要利于它来保存用户的步长等信息。如图4.6所示，24lc064与aduc7026单片机进行ic通信，所以在eeprom上sda、sckl两个通信管脚上接了上拉电阻。 图4.6 eeprom接线图假如没有上拉，时钟和数据信号容易出错，毕竟，cpu的功率有限，带很多bus线的时候，提供高电平信号有些吃力。而一旦这些信号被负载或者干扰拉下到某个电压下，cpu无法正确地接收信息和发出指令，只能不断地复位重启。这是根据电路需要设计的，主要目的是为了防止干扰，增加电路的稳定性。4.4 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。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

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