摘 要

随着科技发展和国民健康意识的提高，许多检测健康状态的电子产品开始普及。电子计步器作为一种越来越流行的平民锻炼检测装置，不仅可以记录步行步数，反应锻炼进度，还能不断激励人们，提升健身动力。伴随着智能手机等信息化设备的大力发展，人们可以通过各种软件适配自己的健康情况，改善生活习惯，提高生活质量，增强锻炼效果。计步器与这些电子设备的结合将体现出更大的使用价值。

本次计步器系统基于51系列单片机运算，利用ADXL345三轴加速度传感器获取人体动作信息，通过单片机的分析处理后转换为步数，最后显示到LCD1602液晶屏上。计步程序使用C语言通过阈值检测方法实现计步功能，算法简便，适用于低速MCU。计步器除了核心的实时计步功能外，还可以利用按键清除步数信息，断电储存步数信息。本文主要阐述了计步器的设计需求与对应方案，相关软硬件的设计内容，以及对计步器系统的测试和结果分析。

关键词：51单片机计步器，加速度传感器，ADXL345

Abstract

With the development of science and technology and the improvement of national health awareness, many electronic products that detect health status have become popular. As an increasingly popular civilian exercise detection device, the electronic pedometer can not only record the number of walking steps, but also motivate people to improve their fitness. With the vigorous development of information devices such as smart phones, people can adapt their own health conditions through various software, improve their living habits, improve their quality of life and enhance their exercise results. The combination of the pedometer and these electronic devices will show greater value in use.

The pedometer system is based on the 51 series single-chip computer operation, and uses the ADXL345 three-axis acceleration sensor to obtain the human body motion information, which is converted into the number of steps by the analysis and processing of the single-chip microcomputer, and finally displayed on the LCD1602 liquid crystal screen. The step counter program uses the C language to implement the step counting function through the threshold detection method. The algorithm is simple and suitable for low-speed MCUs. In addition to the core real-time step counting function, the pedometer can also use the button to clear the step number information and power off the step number information. This paper mainly describes the design requirements and corresponding schemes of the pedometer, the design content of related hardware and software, and the test and result analysis of the pedometer system.

Key Words：51 single chip pedometer, acceleration sensor, ADXL345

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 计步器设计需求分析 2

1.3.1 任务要求 2

1.3.2 方案选择 2

1.3.3 系统设计 2

第2章 计步器硬件设计 4

2.1 51单片机最小系统 4

2.2 ADXL345加速度传感器 5

2.3 LCD1602液晶显示屏 6

2.4 按键模块 7

2.5 EEPROM储存模块 8

2.6 整体电路 8

第3章 软件部分设计 10

3.1 LCD1602显示 10

3.2 I2C传输设置 12

3.3 单片机中断 12

3.4 按键控制数据 13

3.5 EEPROM储存数据 13

3.6 ADXL345读取加速度与校准 13

3.7 计步算法 19

第4章 计步器功能和性能测试 25

4.1 功能测试 25

4.2 性能测试 26

4.3 测试结果分析 26

第5章 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 29

致 谢 30

附 录 31

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

根据近年来国家卫计委统计的数据显示，我国居民健康素养水平不断上升，与此同时，国家也提出了2020年我国居民素养水平达到20%，2030年达到30%的长远目标，由此可见国民健康意识不断提高，对健身的需求不断增加^[1]。而走路和慢跑则成为一种最普遍可行的锻炼方式，它不仅能增强身体素质，提高身体耐力，还能增强心肺基本功能，防止肥胖，此外，它所占用的成本也很小，不需要器械帮助，随时随地都可以锻炼。近年来走路锻炼法在国内尤为盛行，每天一万步的口号也流行开来^[2]。可是，走路和跑步都是一种较为长久的有氧运动方式，我们即想知道锻炼强度是否达标，又不能时刻在心里记录当前的运动进度，因此是否有一种物品能帮助我们记录行走步数呢？答案是肯定的，随着现代化的信息产业飞快发展，智能电子产品的种类、个人普及率都大大提高，我们的生活已经离不开电子产品的帮助，记录个人行走或跑步步数的电子计步器应运而生^[3]。

其实早在1667年，使用机械原理制作的计步装置就已经被发明，但在当时其用途还不属于人们的日常需求范围，所以并没有流行开来^[4]。而现今社会，人们对健身的需求和信息化时代的发展为计步器提供了自己的用武之地。首先，步数的记录可以将人们的运动强度通过数字准确的显示出来，让运动更直观。其次，计步器让使用者对自己每天的运动状态进行衡量，有利于监督。一项科学研究表明，如果人们锻炼时候使用了计步器，会促使我们每天多走2000多步，显然计步器可以激发参加锻炼的人的热情和动力^[5]。而越是久坐不爱运动的人，计步器对他们的激励就越大，这对减少亚健康人群有巨大作用。最后，计步器有利于调控人们的运动计划，它作为一个量化指标，只要测出了步数，就能配合身高，体重，时间单位等信息计算出人运动消耗的卡路里，从而配合其他健康监控软件为人们提供更适合的运动，饮食计划^[6]。因此电子计步器对现代人的作用巨大，影响深远。

1.2 国内外研究现状

机械式计步器早在17世纪就被发明，但由于用途狭小没有普及。电子式计步器的发展历程相对较短，在上世纪60年代，日本生产研发了电子式计步器并将其投入商业市场，这时的计步器主要用于体育运动和研究行走步伐^[7]。在国内，近些年来也有一些方便携带的独立式计步器硬件被研发和售卖，但是仍未得到大量普及。真正使计步器被完全普及的是智能手机行业的发展，2010年，搭载加速度传感器的智能手机问世，和许多新功能一样，计步器软件也有机会可以利用手机的硬件条件被开发了，随着智能手机普及率不断提高，系统原生的计步器应用程序逐渐被大众接受^[8]。伴随着各种健康服务的软件的流行和国民健康意识的提高，如今计步器几乎成了每个人都会日常使用的功能^[9]。

1.3 计步器设计需求分析

1.3.1 任务要求

本次的主要设计内容是利用单片机来制作多功能计步器。要求利用ADXL345传感器来采集运动者的加速度信息，将数据运用合理的算法来计算出人行走的步伐。此外将计步状态由液晶显示屏表示出来。其组成可表示为单片机、液晶显示屏、按键和加速度传感器。

任务具体要求如下：

1. 单片机可选51内核系列的单片机。具体型号包括AT89S51、AT89S52、AT89C51、AT89C52、STC89C51、STC89C52。
2. 系统自带单片机上电复位电路、手动复位电路、晶振电路。
3. LCD1602显示当前步数和总步数。
4. 计步器系统对计步数据有掉电保护功能。
5. 按键具有步数清零功能。

1.3.2 方案选择

关于单片机的型号，任务提供的单片机均属于MCS51系列，其内部原理和基本功能均相同，只是在生产厂商和改进性能方面有些许不同，不影响与其他硬件的接口配置和软件编写，所以本次设计使用了国内更为普遍的STC89C52型号^[10]。

关于加速度传感器和液晶显示屏，由于设计内容已经给出具体型号，所以直接选用ADXL345三轴加速度传感器和LCD1602液晶屏。