陈雪峰
（沈阳化工大学信息工程学院 辽宁省沈阳市 110142）
摘 要：随着经济和科技的可连续发展，人们越来越重视养生与身体健康，经常会进行跑步等锻炼，计步器则是一种可以帮助人们实时掌握自己的运动数据的仪器。计步器顾名思义就是用来检测步数，通过步数来计算已经行走的里程，来获得运动数据。本文提出了一个基于加速度传感器的计步器设计,硬件部分由微处理器STC89C51单片机，加速度传感器ADXL345模块，显示模块等几个部分组成，然后通过软件来实现其应有的功能，为现代的智能生活提供更加美好的条件。
关键词：51单片机；计步器；加速度传感器；
随着社会经济的不断推进，快节奏的生活使人们开始忽视自己的身体锻炼，不知道如何锻炼自己，因此，本文提出了计步器，该计步器可以随身携带，功能准确，数据稳定，以此满足人们对步数的统计，清楚每天的步数，从而可以有效地挑战自己，锻炼身体，增强体质。
对于计步器的设计，计步器是利用加速度传感器测量人们步行时加速度的变化量，具有稳定、可靠和精确等功能。往往是从硬件和软件两个方面入手，尤其是按键电路、加速度传感器、数码管显示电路等电路的设计与研究，以此来实现计步的功能。
1 计步器的基本组成与应用原理
由于人们在步行过程中，并不是以一个匀速的状态在行走，而是有一个加速度的变化。计步器正是利用人们在行走时的变化方式，测量加速度的改变量，每一个加速度的变化，则是意味着人们行走一步，此时计步器通过对加速度的变化量的累加，达到计算人们的行走的步数。因此计步器的整个控制系统主要分为四个部分，单片机、按键模块、显示模块、加速度传感器模块，计步器的控制系统的结构框图如图1所示。
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图1 计步器的控制系统的结构框图
整个计步器的控制系统主要由电源模块为其提供电能，从而保障控制系统的正常工作；加速度传感器安装在计步器内，通过人们行走过程中，加速度的变化，产生相应的电流或者电压信号，再将采集的电信号经过A/D转换器进行转换，得到的数字信号输送至51单片机的模块中，然后经过单片机的处理与分析，将结果以液晶屏的方式进行显示；按键模块用于清除步数和调整各个模式等操作。
2.计步器的硬件设计
计步器的硬件设计主要由51单片机电路、加速度传感器检测电路、按键电路、LCD1602液晶显示电路和电源电路构成。其中，单片机主控电路起控制作用，是整个系统的控制中心。ADXL加速度传感器模块主要实现对加速度的测量，通过I2C总线数字型输出将模拟信号转换为数字信号通过主控电路在LCD1602显示屏上显示步数与总步数。
（1）STC89C51单片机主控电路
STC89C51单片机的内部含有4K Bytes的可反复擦写1 000次及以上的Flash只读程序存储器, 此器件兼容标准MCS-51指令系统及89C51的引脚结构, 芯片的内部集成了通用8位的中央处理器和ISP FLASH的存储单元，具有系统可编程的（ISP）良好特性。
（2）加速度的检测电路
ADXL345 是 ADI 公司推出的基于MEMS技术的 3 轴、数字输出加速度传感器。由于ADXL345内置有A/D转换器，能够直接输出补码形式的数字信号，使得系统中省去了实现放大、整形及滤波功能的信号调理单元，从而节省了电路板空间。因为ADXL345是电容式三轴传感器，所以获取人体运动时的加速度信号更加精确，同时软件采用自适应算法实现计步功能，减少误计数，更加精确。ADXL345加速度检测电路如图2所示。
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图2 ADXL345加速度检测电路
其中，从图2中可以看出，ADXL345的VCC5端与电源VCC连接，VCC3.3与CS连接，SDA端 与P1.4连接，SCL端与单片机的P1.5口连接。
（3）LCD1602液晶显示电路
LCD1602液晶显示模块的作用是将加速度传感器测到的变化以更直观的步数方式显示出来。LCD1602液晶显示器的连接方式如图3所示。
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图3 LCD1602液晶显示器的连接电路结构图
（4）按键电路
按键模块主要可以实现对步数的识别统计与总步数的累计，以及控制部分的操作功能，达到实现某段时间内的步数计算。
3.计步器的软件设计
对于计步器的软件设计是指在计步器的硬件的基础上，通过一定的程序对其进行正常的读写，达到自动控制的过程。其实现计步器的过程，需要将写好的程序，刻录至单片机，控制单片机的运算过程，达到计步器功能的实现。软件设计如下：整个步数器的计数都是在主程序的运算下组织完成的，包括步行时的数据采集、处理和显示的功能。
当其接通电源后，需要对整个控制系统进行初始化设置，设置对应需求的初始条件，是否可以进行下一步的读数，如果没显示，则是依靠按键对其进行调试与设置，直到能进行计算步数为止。如果能够显示步数，则有加速度传感器采集应有的步数，通过I2C的控制总线方式进行数据的传输，使其处理好的数据在LCD1602显示屏上进行显示，最后由按键的方式进行结束，。主程序流程图如图5所示。
图5 主程序流程图
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4实验及结果分析
本次设计的计步器进行了5次实际实验检测，实际测试数据如表1所示：
表1 测试数据表
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由表中数据可以看出，随着步数的增加，虽然步数误差会增加，但准确率并没有明显下降，整体上可以接受。在人体运动过程中，身体的移动使得传感器在接收到信息后，迅速传到处理器进行处理，并在LCD显示屏上实时显示，基本上没有时间延迟，可以说做到了同步显示。
5总结
随着社会与科技的不断进步，人们也开始关注自己的身体健康，尤其是日常的锻炼需要通过准确的数字去衡量。而计步器正是可以帮助人们解决此难题，用数字化的形式测量人们每一天的步数，以此衡量自己的身体状况，本文所提出的计步器以51单片机为整个系统的控制核心，并由加速度传感器检测电路、按键电路、LCD1602液晶显示电路和电源电路等共同构成，实现步数的计算。
参考文献
[1]吴晨杰,徐云,瞿耀辉.基于阈值辨别技术的普通行人用计步器设计研究[J].自动化仪表,2019,40(01):79-81+85.
[2]陈蔚.基于三轴加速度传感器的计步器的设计[J].数字技术与应用,2018,36(09):181-183.
[3]金思达,徐艺铭.浅谈基于单片机的计步器设计[J].电子制作,2018(08):8-9.
[4]赵华峰.基于单片机的三轴加速度计步器设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2017(20):115-116+121.
[5]张锦博,张不已.基于单片机和ADXL345的数据采集与软件实现[J].中国高新区,2017(16):43.
[6]刘兵. 基于ADXL362的低功耗计步器的设计与实现[D].大连理工大学,2017.
[7]周洲.基于单片机的运动计步器设计与实现[J].智能城市,2016,2(12):2-3.
[8]杨丽萍.基于单片机的计步器系统设计[J].数码世界,2016(12):172-173.
作者简介：陈雪峰（1995.6-），男，安徽省宿州市，研究生在读，汉族，研究方向:全流程优化运行技术与系统