基于單片機的計步器的整體方案設(shè)計案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u22284基于單片機的計步器的整體方案設(shè)計案例分析 1277821.1系統(tǒng)的整體設(shè)計 193011.1.1硬件整體方案設(shè)計 1324861.1.2軟件系統(tǒng)方案設(shè)計 2269191.2傳感器選擇 3319321.1.1加速度傳感器選擇 3190401.1.2液晶顯示器選擇 425511.3MCU微處理器選擇 51.1系統(tǒng)的整體設(shè)計1.1.1硬件整體方案設(shè)計在該套系統(tǒng)進行工作的過程當(dāng)中，計步器再進行采集數(shù)據(jù)的時候，主要是利用液壓顯示器進行實時數(shù)據(jù)的顯示。但是由于在本次設(shè)計過程當(dāng)中，所采用的單片機芯片為基本的結(jié)構(gòu)，因此不是傳統(tǒng)的開發(fā)板形式不具備液晶顯示接口。為了解決各種現(xiàn)象，需要進行設(shè)計相應(yīng)的液晶顯示電路，并且通過液晶顯示電路來進行改進其最基本的電路結(jié)構(gòu)，再進行模塊檢測以及模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程當(dāng)中，單片機可以直接進行數(shù)據(jù)的讀取。在進行數(shù)據(jù)讀取的過程當(dāng)中，可以通過相應(yīng)的串口通信協(xié)議來進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，該種轉(zhuǎn)換方式能夠極大的降低開發(fā)的難度[[]ClercqMD.傳感器、集成和電源管理的進步推動可穿戴技術(shù)的發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界,2016,(5):21-23.[]ClercqMD.傳感器、集成和電源管理的進步推動可穿戴技術(shù)的發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界,2016,(5):21-23.該系統(tǒng)在進行整體功能設(shè)計的時候，首先需要將該系統(tǒng)分為兩大部分進行處理，分別為應(yīng)用系統(tǒng)部分以及軟件系統(tǒng)部分。在進行硬件部分分類的過程當(dāng)中，該套系統(tǒng)主要分為液晶顯示器部分按鍵輸入部分以及單片機處理器部分和傳感器檢測部分。同時還具備也將顯示報警部分由以上幾個部分進行組成，在系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理及工作的過程當(dāng)中，單片機在系統(tǒng)當(dāng)中處于核心地位，對于算法的設(shè)計也有著重要的研究，通過系統(tǒng)硬件電路的焊接以及調(diào)試，才能夠完成整個系統(tǒng)當(dāng)中硬件部分的功能，使其實現(xiàn)各個部分的要求。如下圖1.1所示：單片機控制系統(tǒng)電源指示燈單片機控制系統(tǒng)電源指示燈ADXL345ADXL345按鍵輸入按鍵輸入液晶顯示器液晶顯示器圖1.1基于單片機的計步器設(shè)計系統(tǒng)框圖（1）該套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程當(dāng)中。電源部分的主要功能是能夠為整個系統(tǒng)進行供電，在選擇電源部分的時候，需要充分考慮到其調(diào)試過程當(dāng)中所可能遇到的問題以及所能夠供的就穩(wěn)定電壓來源，在設(shè)計的過程當(dāng)中需要不斷的進行產(chǎn)品的改進，以使得該系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足人們的使用需求，因此在進行選擇電源的時候，一般情況下選擇的電源為使用移動電源進行供電，以方便獲取電源的來源。（2）按鍵輸入的主要功能就是能夠在系統(tǒng)當(dāng)中進行設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，該系統(tǒng)所需要的相關(guān)參數(shù)包含其清除系部的數(shù)據(jù)以及設(shè)置其位移的距離來進行提高其靈敏度，同時也能夠設(shè)置人的體重信息，用來設(shè)置卡里魯?shù)南臄?shù)值，因此按鍵的收入能夠?qū)崿F(xiàn)臨機交互的功能，對于輸入數(shù)值信息起到了作用[[]于寅虎.低功耗和小型化半導(dǎo)體器件掘金可穿戴設(shè)備市場[J].電子產(chǎn)品世界,2014,(Z1):13-15.[]于寅虎.低功耗和小型化半導(dǎo)體器件掘金可穿戴設(shè)備市場[J].電子產(chǎn)品世界,2014,(Z1):13-15.（3）在進行數(shù)據(jù)處理的過程當(dāng)中，單片機在整個系統(tǒng)當(dāng)中處于核心地位。單片機的主要功能就是能夠進行實時數(shù)據(jù)的處理，并且在進行工作的過程當(dāng)中可以對輸入的信息進行判斷，同時在進行處理之后可以進行輸出控制，控制外部的LED以及控制外部的液晶進行工作。因此該套系統(tǒng)我在進行使用的時候，始終離不開單片機處理器的核心控制功能。（4）在采集完數(shù)據(jù)信息之后，需要利用相關(guān)的顯示來進行顯示操作，以方便實現(xiàn)人機交互的功能，在進行顯示操作的過程當(dāng)中，一般情況下系統(tǒng)當(dāng)中需要利用一定的傳感器材或者是使用相應(yīng)的顯示器材。所使用的顯示器材為液晶顯示器或者數(shù)碼管利用該裝置實現(xiàn)功能輸出的主要作用。1.1.2軟件系統(tǒng)方案設(shè)計該套系統(tǒng)在進行軟件部分設(shè)計的時候，主要分為兩大部分，首先就是對ADSL345進行數(shù)據(jù)的采集，在進行數(shù)據(jù)采集的時候，該部分的功能是進行判斷是否進行運動的最主要功能之一，能夠?qū)⒃撔盘柾ㄟ^程序算法來進行讀取到，并且通過單片機內(nèi)部的數(shù)值判斷來進行判斷，是否為有效的部署，同時還需要能夠進行數(shù)據(jù)的記錄以及數(shù)據(jù)的相關(guān)運算，通過數(shù)據(jù)的設(shè)計以及數(shù)據(jù)方法的利用，才能夠?qū)⒂嫴狡鞯幕竟δ芩O(shè)計出來。同時另一方面的主要功能是能夠利用顯示裝置進行數(shù)據(jù)的實時顯示功能，在數(shù)據(jù)計算以及數(shù)據(jù)輸出的過程當(dāng)中，單片機控制器需要對顯示裝置做出更好的利用，將數(shù)據(jù)結(jié)果通過顯示器的形式來進行實時刷新，一是使用者來獲得該部分的主要數(shù)據(jù)功能。1.2傳感器選擇1.1.1加速度傳感器選擇在這系統(tǒng)進行運動的過程當(dāng)中，需要利用相應(yīng)的傳感器材，實現(xiàn)對其不斷的采集數(shù)據(jù)信息。因此需要選擇合適的加速度傳感器，加速度傳感器在進行選擇的時候，需要充分考慮到加速器的運算性能，同時也需要考慮其是否能夠滿足計步器的基本要求。在選擇加速度傳感器的時候，需要考慮其工作的性能以及部分的參數(shù)信息[[]蔣小梅，張俊然，趙斌，等.可穿戴式設(shè)備分類及其相關(guān)技術(shù)進展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2016,(1):42-48.[]蔣小梅，張俊然，趙斌，等.可穿戴式設(shè)備分類及其相關(guān)技術(shù)進展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2016,(1):42-48.方案一：MPU6050,該款處理器是加速度傳感器是由美國相關(guān)公司所設(shè)計的一款六軸加速度傳感器，該傳感器的內(nèi)部具有的較為豐富的功能，例如在該傳感器的內(nèi)部有一個三軸陀螺儀以及三軸加速度計，再進行采集相關(guān)運動信息的時候，能夠獲得較高精度的采集，在一般情況下該加速度傳感器，主要是應(yīng)用在相關(guān)的控制場合當(dāng)中進行，使用例如在無人機當(dāng)中得到了大量的應(yīng)用，在進行使用的過程當(dāng)中，該芯片與單片機之間采用了IIC的數(shù)據(jù)通信方式。利用各種通信方式的加速度傳感器，能夠進行快速的數(shù)據(jù)讀取以及數(shù)據(jù)輸出，同時具有較高的穩(wěn)定性，在進行工作的過程當(dāng)中，該芯片不易受到外界環(huán)境的干擾，在進行應(yīng)用的時候，其在不同的場合之下，都能夠保證具有較高的精準度以及穩(wěn)定性，同時也不會對外部產(chǎn)生一定的干擾性，在進行使用的時候，該芯片具有較高的穩(wěn)定性以及較低的功耗，在低功耗模式下，其靜態(tài)電流能夠達到3.6毫安左右，在加速度使用的情況下，其最高的電流能夠達到50毫安，并且單片機在進行讀取數(shù)據(jù)的時候，能夠進行較快速度的轉(zhuǎn)換，其讀取的速度能夠達到一兆赫茲以上，具有較快的通信方式，在該芯片的內(nèi)部具有子個溫度補償裝置，利用該溫度補償裝置[[]耿怡，安暉，李揚，等.可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和前景探析[J].電子科學(xué)技術(shù),2014,(2):238-245.[]耿怡，安暉，李揚，等.可穿戴設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和前景探析[J].電子科學(xué)技術(shù),2014,(2):238-245.方案二：ADXL345:在adxl345加速度傳感器的內(nèi)部具有三個方向的加速度，利用三個方向不同的加速度可以實現(xiàn)對其任意方位的檢測，并且在進行速度采集的過程當(dāng)中，該模塊需要與外部的傳感器以及外部的電路進行相關(guān)的數(shù)字處理以及數(shù)字輸出，在該過程當(dāng)中才需要利用相應(yīng)的變壓器芯片以及放大整流電路，在該模塊內(nèi)部具有的較為穩(wěn)定的工作原理及工作特性，在進行通信的過程當(dāng)中，該系統(tǒng)也是采用了IIC的通信方式。使用該種通信方式的單片機處理器，能夠很好的進行數(shù)據(jù)功能的運算以及數(shù)據(jù)功能的處理，并且在該模塊的內(nèi)部還有一個電壓比較器和一個電壓轉(zhuǎn)換芯片，利用該電壓轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)?伏電壓直接輸出到3.3伏芯片，再進行利用高電壓的時候也能夠進行超低功耗。并且在進行開發(fā)的過程當(dāng)中，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為簡單，方便讀取該數(shù)據(jù)信息的主要結(jié)果，在進行采集的時候也具有較高的精度。以上兩種傳感器在進行應(yīng)用以及開發(fā)的時候都具有了各自的優(yōu)點，因此需要對開發(fā)的難度以及性價比等方面進行綜合分析，再考慮到其設(shè)計的成本是以及開發(fā)的難度，是決定使用方案二方案當(dāng)中的ADXL345更便于進行產(chǎn)品設(shè)計的開發(fā)。1.1.2液晶顯示器選擇在進行改造產(chǎn)品進行設(shè)計開發(fā)的時候，在進行運動的過程當(dāng)中，運動人員需要實時檢測自己的運動狀態(tài)以及運動的步數(shù)信息，則需要利用相適應(yīng)的顯示裝置來進行完成該部分的顯示。目前市面上所售賣的液晶顯示裝置比較多，需要從合適的選擇期當(dāng)中選擇一款能夠進行多數(shù)據(jù)顯示的裝置，并且具有較高的穩(wěn)定性，在經(jīng)過一系列的查閱相關(guān)資料之后[[]XinY,LiX,TianHY，etal.Shoes-equippedpiezoelectrictransducerforenergyharvesting:Abriefreview[J].Ferroelectrics,2016,493:12-24.[]XinY,LiX,TianHY，etal.Shoes-equippedpiezoelectrictransducerforenergyharvesting:Abriefreview[J].Ferroelectrics,2016,493:12-24.方案一：采用LCD1602液晶顯示器

該液晶顯示器在進行使用的過程當(dāng)中，能夠同時顯示32個字符，在一般的場合使用過程當(dāng)中，都能夠滿足設(shè)計需求，例如有些工業(yè)設(shè)計設(shè)備當(dāng)中，經(jīng)常使用標準液晶顯示器進行顯示數(shù)據(jù)信息，同時在一些小型的示波器或者是小型的儀表當(dāng)中，也經(jīng)常會使用該種顯示器，該液晶顯示器與單片機進行數(shù)據(jù)通信時，將液晶顯示器的數(shù)據(jù)引腳與單片機的引腳進行連接，在連接的過程當(dāng)中，可以根據(jù)設(shè)計的需求，來進行液晶顯示器顯示的操作，使得顯示內(nèi)容能夠顯示到指定的位置上，并且能夠按照數(shù)據(jù)內(nèi)容進行更新。LCD1602液晶顯示器如下圖1.2所示：圖1.2LCD1602液晶顯示器方案二：Lcd12864液晶顯示器,該液晶顯示器能夠顯示較多的數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時能夠以較多的數(shù)據(jù)點來進行顯示，在使用的過程當(dāng)中，一般情況下，可以將數(shù)據(jù)內(nèi)容或者是波形信息顯示到該顯示器上，并且能夠以較快的刷新速率進行更新，在進行供電的時候，采用了與單片機相同電壓的電源，能夠使用其進行直接供電，并且不需要進行電壓的特殊轉(zhuǎn)換，在使用該液晶顯示器的過程當(dāng)中，該液晶顯示器能夠與單片機之間進行數(shù)據(jù)通信，采用并行通訊以及串行通訊兩種方式，在一般情況下，經(jīng)常使用串行通訊與單片機之間進行數(shù)據(jù)交換，暢行通訊占用的數(shù)據(jù)端口較少，方便進行硬件的設(shè)計，使用變聲通訊，由于其線路較多，在使用的過程當(dāng)中增加了工作量，同時還會產(chǎn)生不穩(wěn)定性。LCD12864液晶顯示器如下圖1.3所示：圖1.3LCD12864液晶顯示器實物圖經(jīng)過分析上述兩種方案決定利用方案一，LCD1602液晶顯示器作為本次顯示裝置，利用該種選擇其進行顯示時，不僅能夠降低成本，同時便于后期的程序開發(fā)工作。1.3MCU微處理器選擇在進行工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的時候，目前來說市面上有很多的單片機控制器，可以進行選擇使用，比如經(jīng)常被應(yīng)用于工業(yè)開發(fā)的FPGA處理器，DSP處理器，以及arm處理器，在進行選型的時候，需要根據(jù)設(shè)計的目的以及設(shè)計的功能來進行合適的選擇，再考慮其處理性能的同時，還要需要考慮到其硬件成本，經(jīng)過大量的選擇，有以下兩種方案可以進行挑選。方案一：使用STM32F103C8T6單片機該款的單片機在進行使用的過程當(dāng)中，主要是為一些高性能產(chǎn)品開發(fā)所設(shè)計的，該芯片具有超低功耗的特點，同時采用了ARM架構(gòu)技術(shù)，單片機的處理頻率較高，能夠達到72MHZ，同時能夠根據(jù)內(nèi)部的設(shè)置進行分頻，在進行供電時，芯片的供電電壓為3.3V，需要采用單獨的電壓轉(zhuǎn)換電路為其進行供電，在進行設(shè)計外圍電路的時候，其外圍結(jié)構(gòu)較為簡單，該單片機控制器主要分為三種模式，分別為待機模式，休眠模式，以及停機模式，在進入超低功耗模式下，該款單片機能夠進行正常的工作，內(nèi)部的計算機也能夠進行快速的運轉(zhuǎn)，當(dāng)觸發(fā)單片機時能夠快速進入正常狀態(tài)，單片機內(nèi)部資源較為豐富，能夠提供AD值轉(zhuǎn)化通道以及較為復(fù)雜的功能。單片機在進行開發(fā)應(yīng)用的時候，所采用的調(diào)試軟件為KEIL5，在進行程序開發(fā)以及校驗的時候，可以使用該種軟件進行在線仿真，通過在仿真過程當(dāng)中，程序運行的步驟來進行查看各個計算器的數(shù)值，以此來進行程序的調(diào)整，同時給好單面機，在進行應(yīng)用的過程當(dāng)中具有較高的抗干擾性能[[]AlmusallamA，TorahRN，ZhuD，etal.Screen-printedpiezoelectricshoe-insoleenergyharvesterusinganimprovedflexiblePZT-polymercomposites.[C]PowerMEMS2013,London:UniversityofSouthampton,2013.[]AlmusallamA，TorahRN，ZhuD，etal.Screen-printedpiezoelectricshoe-insoleenergyharvesterusinganimprovedflexiblePZT-polymercomposites.[C]PowerMEMS2013,London:UniversityofSouthampton,2013.圖1.4STM32F103C8T6單片機實物圖方案二：STC89C52單片機Stc89C52單片機是由我國國內(nèi)生產(chǎn)廠家宏晶公司所生產(chǎn)的一款八位專用型的單片機處理器，該廠家在進行生產(chǎn)單片機處理器時，為了能夠縮小單片機的體積以及降低單片機的功耗，采用了COMS生產(chǎn)工藝。該生產(chǎn)工藝的使用，使得該單片機能夠在不同的工業(yè)環(huán)境當(dāng)中得到大量的應(yīng)用，并且能夠極大的降低生產(chǎn)成本，噴劑的封裝形式多種多樣，有直插式包裝以及貼片式封裝，在進行選擇封裝形式的時候，可以根據(jù)其空間的大小來進行不同的使用，單片機在進行供電時采用了5伏供電方式，在通常使用情況下，可以使用USB或者是電腦端口進行功能調(diào)試，單片機一共有40個引腳，每個音節(jié)都能夠進行相應(yīng)的功能設(shè)計，并且有輸入以及輸出功能。該款單片機的內(nèi)部資源較為豐富，在單片機的內(nèi)部有多個端口能夠進行輸入以及輸出不需要進行單獨的配置，在進行應(yīng)用的