步測儀的設計-大學畢業(yè)論文說明書

第第頁目錄引言…………31設備選型…………41.1設計方案比較…………41.2系統(tǒng)結構設定…………41.3步測儀系統(tǒng)元器件選擇……………………52總體設計原理圖……………………62.1步測儀模塊電路圖及說明……………………62.2基站模塊電路圖及說明……………………73各主要元器件模塊設計……………………93.1單片機ATMEGA16介紹……………………93.1.1概述……………………93.1.2ATMEGA16產品特性……………………93.1.3外設特點……………………103.1.4ATMEGA16引腳功能……………………123.2無線收發(fā)模塊NRF905設計……………………143.2.1模塊外觀……………………143.2.2模塊簡介……………………143.2.3基本特點……………………143.2.4應用領域……………………153.2.5硬件原理說明……………………153.2.6通過AVR單片機軟件控制原理……………………163.2.7模塊原理圖……………………193.2.8與單片機硬件連接圖……………………203.3三軸加速度傳感器KXP74設計……………………213.3.1加速度傳感器簡介……………………213.3.2步伐參數(shù)設定……………………223.3.3軟件編程流程圖……………………253.3.4距離參數(shù)設定……………………263.3.5卡路里（能量）參數(shù)設定……………………273.3.6硬件連接圖……………………283.4LCD12864液晶顯示模塊設計……………………293.4.1液晶顯示模塊概述……………………293.4.2基本特性……………………293.4.3外形尺寸……………………303.4.4接口時序……………………303.4.5硬件連接圖……………………324軟件設計……………………334.1主程序流程圖……………………334.2采樣及處理程序流程圖……………………345實驗結論……………………34謝辭………………………35參考文獻……………36引言計步器是一種頗受歡迎的日常鍛煉進度監(jiān)控器，可以激勵人們挑戰(zhàn)自己，增強體質，幫身。早期設計利用加重的機械開關檢測步伐，并帶有一個簡單的計數(shù)器。晃動這些裝置時，可以聽到有一個金屬球來回滑動，或者一個擺錘左右擺動敲擊擋塊，隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化已經來臨，我們設計的這款步測儀完全自主運行，不需要人工操作，只需要用戶佩戴符合步測儀的要求，其余的事情他可以自主運行，他不僅可以測量用戶所走的步數(shù)，還可以根據(jù)用戶的步數(shù)從而可以測量出用戶所走的距離，還可根據(jù)所走的距離與時間來計算用戶這段時間所消耗的能量，從而讓用戶更加直觀的了解自己的生體狀況，來幫助人們了解自己身體從而達到改善自己身體狀況的功能。下面我們將從設備選型與比較、設備的總體規(guī)劃，以及各個重要元器件的原理介紹和如何實現(xiàn)其在步測儀中的功能做詳細介紹。1、設備選型1.1設計方案比較實際的步測儀，根據(jù)計算路程的實現(xiàn)方法，可以分為兩種：一是利用GPS模塊來計算路程；二是利用加速度傳感器來計算路程。采用以上兩種方式的設計方案及其比較如表：方案編號路程設計數(shù)據(jù)傳輸方式方案評估1 GPS模塊有線方式精度高，數(shù)據(jù)傳輸短，程序設計復雜，成本高。2加速度傳感器無限方式數(shù)據(jù)傳輸距離較遠，程序設計簡單，成本低。加速度傳感器ATMEGA16加速度傳感器ATMEGA16無線收發(fā)芯片（1）SPISPI1.2系統(tǒng)結構設定設計設想：我們根據(jù)加速度傳感器傳輸出的SPI信號，這些信號是由用戶的動作產生步測信號，信號傳輸?shù)紸VR單片機里面，經過單片機的信號處理，輸出到無線收發(fā)模塊（1），以上是單片機步測儀模塊工作原理，其設計結構圖如下所示：由無線收發(fā)模塊（1）發(fā)出的信號，無線收發(fā)模塊（2）接收（1）所發(fā)的信號，這些信號傳輸?shù)搅硪粋€單片機做進一步處理，單片機處理的數(shù)據(jù)轉換成串行芯片和12864能接受的信號，從而能夠顯示人們能夠看到的測量數(shù)據(jù)，其設計結構圖如下圖所示串行芯片串行芯片（USB）、LED12864ATMEGA16無線收發(fā)模塊（2）SPISPI1.2.3元器件選擇通過上述對整體結構的研究我們得到了其元器件的選擇情況如下圖所示器件編號器件名稱型號基本參數(shù)1單片機ATMEGA1664KBflash.2KBEEPROM,系統(tǒng)最大頻率10MHZ.4KBSRAM2加速度傳感器KXP74數(shù)字spi接口.低功耗，高性能3無線收發(fā)模塊AT86RF230104db鏈路運算，-101db的接收靈敏度和3db的傳輸功率4液晶顯示模塊LCD12864128*64個液晶顯示2總體設計原理電路圖根據(jù)上面我們對整體結構的設計設想，我們可以知道我們設計的電路主要分為兩個主要部分，他們分別是步測儀模塊和基站模塊，通過他們的精確通信才能保證整個電路實現(xiàn)我們無線步測這一滿足用戶的要求的功能。2.1步測儀模塊電路如圖5432154321以上各部分電路說明如下：1：ATMEGA16模塊其最小系統(tǒng)和與和各個元器件的引腳使用情況。2：與加速度傳感器連接引腳使用情況和外部電路連接圖3：三軸加速度傳感器和ATMEGA16引腳連接和其最小工作系統(tǒng)4：nrf905無線收發(fā)模塊引腳連接電路圖5：電源部分電路圖2.2基站模塊電路圖如下54321基站模塊電路圖說明如下：543211：nrf905引腳連接電路圖2：lcd12864液晶顯示模塊連接電路圖3：ATMEGA16引腳使用情況和最小系統(tǒng)設計4：電源電路設計5：串行接口電路通過上述說我們對無線步測儀的硬件連接系統(tǒng)有了一個出不得了解，下面我們將逐步介紹每個主要元器件的硬件使用使用和如何進行軟件實現(xiàn)做詳細說明。3各主要元器件模塊設計3.1Atmega16介紹3.1.1概述AVR單片機采用哈弗總線型結構，程序存儲器和數(shù)據(jù)十分開的，微處理器直接訪問全部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。ATMEL公司將高密度、非易失性存儲技術運用在了AVR單片機上，使得AVR單片機都具有ISP的功能，即使在程序運行時，也可以對系統(tǒng)進行重新編程。ATmega16AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉換時的開關噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C語言編譯器、宏匯編、程序調試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。3.1.2ATmega16產品特性※高性能、低功耗的8位AVR微處理器※先進的RISC結構※131條指令※大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期※32個8位通用工作寄存器※全靜態(tài)工作※工作于16MHz時性能高達16MIPS※只需兩個時鐘周期的硬件乘法器※非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器※16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash，擦寫壽命:10,000次※具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程，真正的同時讀寫操作※512字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命:100,000次※1K字節(jié)的片內SRAM※可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密※JTAG接口(與IEEE1149.1標準兼容)※符合JTAG標準的邊界掃描功能※支持擴展的片內調試功能※通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程3.1.3外設特點※兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器※一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器※具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC※四通道PWM※8路10位ADC，8個單端通道，2個具有可編程增益（1x,10x,或200x）的差分通道※面向字節(jié)的兩線接口※兩個可編程的串行USART※可工作于主機/從機模式的SPI串行接口※具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器※片內模擬比較器※特殊的處理器特點※上電復位以及可編程的掉電檢測※片內經過標定的RC振蕩器※片內/片外中斷源l6種睡眠模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式uI/O和封裝※32個可編程的I/O口※40引腳PDIP封裝,44引腳TQFP封裝,與44引腳MLF封裝u工作電壓:lATmega16L：2.7-5.5VlATmega16：4.5-5.5Vu速度等級l8MHzATmega16Ll0-16MHzATmega16uATmega16L在1MHz,3V,25°l正常模式:1.1mAl空閑模式:0.35mAl掉電模式:<1μA3.1.4ATmega16引腳功能引腳名稱引腳功能說明VCC電源正GND電源地端口A(PA7..PA0)端口A做為A/D轉換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具ATmega引腳圖[2]有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7..PB0)端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口B也可以用做其他不同的特殊功能.端口C(PC7..PC0)端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7..PD0)端口D為8位雙向I/O口，具有可編程的內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能.RESET復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。門限時間見P36Table15。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。XTAL1反向振蕩放大器與片內時鐘操作電路的輸入端。XTAL2反向振蕩放大器的輸出端。AVCCAVCC是端口A與A/D轉換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一個低通濾波器與VCC連接。AREFA/D的模擬基準輸入引腳3.2無線收發(fā)模塊NRF905設計3.2.1模塊外觀3.2.2模塊簡介：NRF905無線收發(fā)模塊（PTR8000+），在NordicVLSI公司最新封裝改版nRF905基礎上優(yōu)化設計，體積更小，距離更遠，同時抗干擾性強，通信穩(wěn)定，特別適用于工業(yè)控制領域，是目前最主流的無線RF收發(fā)方案

3.2.3基本特點：

(1)433Mhz開放ISM頻段免許可證使用(2)接收發(fā)送功能合一，收發(fā)完成中斷標志(3)170個頻道，可滿足多點通訊和跳頻通訊需求，實現(xiàn)組網(wǎng)通訊，TDMA-CDMA-FDMA(4)內置硬件8/16位CRC校驗，開發(fā)更簡單，數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定

(5)工作電壓1.9-3.6V，低功耗，待機模式僅2.5uA

(6)接收靈敏度達-100dBm

(7)收發(fā)模式切換時間<650us(8)每次最多可發(fā)送接收32字節(jié)，并可軟件設置發(fā)送/接收緩沖區(qū)大小2/4/8/16/32字節(jié)(9)模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示)，可直接接各種單片機使用，軟件編程非常方便

(10)最大發(fā)射功率10毫瓦，發(fā)射模式：最大電流<30mA；接收模式：電流12.2mA(11)內置SPI接口，也可通過I/O口模擬SPI實現(xiàn)。最高SPI時鐘可達10M(12)尺寸小巧，不含天線32mm*19mm；標準DIP間距接口，便于嵌入式應用

(13)發(fā)射速率50Kbps，外置433MHz天線，空曠通訊距離可達200-300米，室內通信3-6層可實現(xiàn)可靠通信，抗干擾性能強，很強的障礙穿透性能

3.2.4應用領域：遙控、遙測、無線遙控系統(tǒng)、安全防火系統(tǒng)、小型無線網(wǎng)絡、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線吊稱、無線電子衡器、車輛監(jiān)控、不停車收費、停車場管理、無線標簽、身份識別、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、數(shù)字音頻傳輸?shù)?/p>

3.2.5硬件原理介紹為了方便硬件連接我們購買了北方藍芯科技有限公司生產的型號為NBC905_V20的無線收發(fā)模塊，模塊帶有一個14針2.54mm間距的接口的外部引腳來和AVR單片機相連接該芯片的的PCB和與AVR單片機連接的引腳PCB如圖所示管腳編號nRF905管腳功能描述1VCC電源（1.9~3.6）2TXEN1、發(fā)射模式，0、接收模式3CE使能發(fā)射或接受4PWRPOWER、DOWN模式5CLK時鐘輸出6CD載波檢測7AM地址匹配輸出8DR數(shù)據(jù)準備就緒輸出9MISOSPI輸出10MOSISPI輸入11SCKSPI時鐘12CSNSPI使能、低電平有效13GND地14GND地3.2.6通過AVR軟件控制原理簡介nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定，下面具體詳細分析nRF905的發(fā)送流程和接收流程。nRF905發(fā)送流程分以下幾步：A當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定；B.微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式；□射頻寄存器自動開啟；□數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)；

□發(fā)送數(shù)據(jù)包；□當數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準備好引腳被置高；E、當TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。ShockBurstTM工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，

發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。從standby模式到ShockBurst?TX模式時序圖接收數(shù)據(jù)流程：A.當TRX_CE為高、TX_EN為低時，nRF905進入ShockBurstTM接收模式；B.650us后，nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；C.當nRF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳CD被置高；D當接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳AM被置高；E.當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動移去字美頭、地址和CRC校驗位，然后把數(shù)據(jù)準備好引腳DR置高F.微控制器把TRX_CE置低，nRF905進入空閑模式；G.微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內；H.當所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準備好引腳DR和地址匹配引腳AM置低；I.nRF905此時可以進入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關機模式。當正在接收一個數(shù)據(jù)包時，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當微處理器接到地址匹配引腳的信號之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進入另一個工作模式。通過上面的介紹，對nRF905的接收流程有了一定的了解。在應用過程中一定要注意在進入接收模式之前，nRF905需要650ns的反應時間，這是不可忽略的。節(jié)能模式nRF905的節(jié)能模式包括關機模式和節(jié)能模式。在關機模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5uA。進入關機模式后，nRF905保持配置字中的內容，但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。空閑模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下，nRF905內部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。nRF905在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關。器件配置所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905。SPI接口的工作方式可通過SPI指令進行設置。當nRF905處于空閑模式或關機模式時，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準備好引腳DR和地址匹配引腳AM置低；I.nRF905此時可以進入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關機模式。當正在接收一個數(shù)據(jù)包時，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當微處理器接到地址匹配引腳的信號之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進入另一個工作模式。通過上面的介紹，對nRF905的接收流程有了一定的了解。在應用過程中一定要注意在進入接收模式之前，nRF905需要650ns的反應時間，這是不可忽略的。器件配置所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905。SPI接口的工作方式可通過SPI指令進行設置。當nRF905處于空閑模式或關機模式時，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。以下圖片分別表示SPI在讀與寫操作時的時序3.2.7NRF905模塊原理圖3.2.8與單片機硬件連接圖原理圖說明：J1是無線收發(fā)模塊的連接圖，它用到單片機的PD口和PC口來進行無線通信。3.33軸加速度計KXP74模塊設計3.3.1加速度傳感器簡介

KXP74利用MEMS（微機電系統(tǒng)）慣性傳感器和復雜的軟件來精確檢測真實的步伐。MEMS慣性傳感器可以更準確地檢測步伐，誤檢率更低。MEMS慣性傳感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特點，因此越來越多的便攜式消費電子設備開始集成計步器功能，如音樂播放器和手機等。本文以對步伐特征的研究為基礎，描述一個采用3軸圖1.各軸的定義讓我們考慮步行的特性。圖2描繪了一個步伐，我們將其定義為單位步行周期，圖中顯示了步行周期各階段與豎向和前向加速度變化之間的關系。圖2.步行階段與加速度模式圖3顯示了與一名跑步者的豎向、前向和側向加速度相對應的x、y和z軸測量結果的典型圖樣。無論如何穿戴計步器，總有至少一個軸具有相對較大的周期性加速度變化，因此峰值檢測和針對所有三個軸上的加速度的動態(tài)閾值決策算法對于檢測單位步行或跑步周期至關重要。圖3.從一名跑步者測得的x、y和z軸加速度的典型圖樣

3.3.2步伐參數(shù)

數(shù)字濾波器：首先，為使圖3所示的信號波形變得平滑，需要一個數(shù)字濾波器?？梢允褂盟膫€寄存器和一個求和單元，如圖4所示。當然，可以使用更多寄存器以使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，但響應時間會變慢。圖4.數(shù)字濾波器圖5顯示了來自一名步行者所戴計步器的最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)。對于跑步者，峰峰值會更高。圖5.最活躍軸的濾波數(shù)據(jù)動態(tài)閾值和動態(tài)精度：系統(tǒng)持續(xù)更新3軸加速度的最大值和最小值，每采樣50次更新一次。平均值(Max+Min)/2稱為“動態(tài)閾值”。接下來的50次采樣利用此閾值判斷個體是否邁出步伐。由于此閾值每50次采樣更新一次，因此它是動態(tài)的。這種選擇具有自適應性，并且足夠快。除動態(tài)閾值外，還利用動態(tài)精度來執(zhí)行進一步濾波，如圖6所示。圖6.動態(tài)閾值和動態(tài)精度利用一個線性移位寄存器和動態(tài)閾值判斷個體是否有效地邁出一步。該線性移位寄存器含有2個寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。這些寄存器中的數(shù)據(jù)分別稱為sample_new和sample_old。當新采樣數(shù)據(jù)到來時，sample_new無條件移入sample_old寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取決于下述條件：如果加速度變化大于預定義精度，則最新的采樣結果sample_result移入sample_new寄存器，否則sample_new寄存器保持不變。因此，移位寄存器組可以消除高頻噪聲，從而保證結果更加精確。步伐邁出的條件定義為：當加速度曲線跨過動態(tài)閾值下方時，加速度曲線的斜率為負值(sample_new<sample_old)。.峰值檢測：步伐計數(shù)器根據(jù)x、y、z三軸中加速度變化最大的一個軸計算步數(shù)。如果加速度變化太小，步伐計數(shù)器將忽略。步伐計數(shù)器利用此算法可以很好地工作，但有時顯得太敏感。當計步器因為步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常緩慢地振動時，步伐計數(shù)器也會認為它是步伐。為了找到真正的有節(jié)奏的步伐，必須排除這種無效振動。利用“時間窗口”和“計數(shù)規(guī)則”可以解決這個問題。“時間窗口”用于排除無效振動。假設人們最快的跑步速度為每秒5步，最慢的步行速度為每2秒1步。這樣，兩個有效步伐的時間間隔在時間窗口[0.2s-2.0s]之內，時間間隔超出該時間窗口的所有步伐都應被排除。表1列出了TA=25°表1.數(shù)據(jù)速率和功耗輸出數(shù)據(jù)速率(Hz)帶寬(Hz)速率代碼IDD(μA)32001600111114616008001110100800400110114540020011001452001001011145100501010145502510011002512.510006512.56.250111556.253.125011040

此算法使用50Hz數(shù)據(jù)速率(20ms)。采用interval的寄存器記錄兩步之間的數(shù)據(jù)更新次數(shù)。如果間隔值在10與100之間，則說明兩步之間的時間在有效窗口之內；否則，時間間隔在時間窗口之外，步伐無效。“計數(shù)規(guī)則”用于確定步伐是否是一個節(jié)奏模式的一部分。步伐計數(shù)器有兩個工作狀態(tài)：搜索規(guī)則和確認規(guī)則。步伐計數(shù)器以搜索規(guī)則模式開始工作。假設經過四個連續(xù)有效步伐之后，發(fā)現(xiàn)存在某種規(guī)則(inregulation)，那么步伐計數(shù)器就會刷新和顯示結果，并進入“確認規(guī)則”工作模式。在這種模式下工作時，每經過一個有效步伐，步伐計數(shù)器就會更新一次。但是，如果發(fā)現(xiàn)哪怕一個無效步伐，步伐計數(shù)器就會返回搜索規(guī)則模式，重新搜索四個連續(xù)有效步伐。3.3.3軟件編程流程圖圖7.步伐參數(shù)算法軟件實現(xiàn)流程圖3.3.4距離參數(shù)

根據(jù)上述算法計算步伐參數(shù)之后，我們可以使用公式1獲得距離參數(shù)。

距離=步數(shù)×每步距離(1)每步距離取決于用戶的速度和身高。如果用戶身材較高或以較快速度跑步，步長就會較長。參考設計每2秒更新一次距離、速度和卡路里參數(shù)。因此，我們使用每2秒計數(shù)到的步數(shù)判斷當前跨步長度。表2顯示了用于判斷當前跨步長度的實驗數(shù)據(jù)。表2.跨步長度與速度（每2秒步數(shù)）和身高的關系每2秒步數(shù)跨步(m/s)0~2身高/52~3身高/43~4身高/34~5身高/25~6身高/1.26~8身高>=81.2×身高

2秒的時間間隔可以利用采樣數(shù)精確算出。以50Hz數(shù)據(jù)速率為例，處理器可以每100次采樣發(fā)送一次相應的指令。處理器利用一個名為m_nLastPedometer的變量記錄每個2秒間隔開始時的步數(shù)，并利用一個名為m_nPedometerValue的變量記錄每個2秒間隔結束時的步數(shù)。這樣，每2秒步數(shù)等于m_nPedometerValue與m_nLastPedometer之差。雖然數(shù)據(jù)速率為50Hz，但kxp74的片內FIFO使得處理器無需每20ms讀取一次數(shù)據(jù)，極大地減輕了主處理器的負擔。該緩沖器支持四種工作模式：旁路、FIFO、流和觸發(fā)。在FIFO模式下，x、y、z軸的測量數(shù)據(jù)存儲在FIFO中。當FIFO中的采樣數(shù)與FIFO_CTL寄存器采樣數(shù)位規(guī)定的數(shù)量相等時，水印中斷置1。如前所述，人們的跑步速度最快可達每秒5步，因此每0.2秒刷新一次結果即可保證實時顯示，從而處理器只需每0.2秒通過水印中斷喚醒一次并從kxp74讀取數(shù)據(jù)。FIFO的其它功能也都非常有用。利用觸發(fā)模式，F(xiàn)IFO可以告訴我們中斷之前發(fā)生了什么。由于所述解決方案沒有使用FIFO的其它功能，因此筆者將不展開討論。速度參數(shù)

速度=距離/時間，而每2秒步數(shù)和跨步長度均可根據(jù)上述算法計算，因此可以使用公式2獲得速度參數(shù)。

速度=每2秒步數(shù)×跨步/2s(2)3.3.5卡路里(能量)參數(shù)

我們無法精確計算卡路里的消耗速率。決定其消耗速率的一些因素包括體重、健身強度、運動水平和新陳代謝。不過，我們可以使用常規(guī)近似法進行估計。表3顯示了卡路里消耗與跑步速度的典型關系。表3.卡路里消耗與跑步速度的關系跑步速度(km/h)卡路里消耗(C/kg/h)810121516202025

由表3可以得到公式(3)。

卡路里(C/kg/h)=1.25×跑步速度(km/h)(3)以上所用的速度參數(shù)單位為m/s，將km/h轉換為m/s可得公式4。

卡路里(C/kg/h)=1.25×速度(m/s)×3600/1000(4)卡路里參數(shù)隨同距離和速度參數(shù)每2秒更新一次。為了考慮運動者的體重，我們可以將公式4轉換為公式5。體重(kg)為用戶輸入量，一個小時等于1800個2秒間隔。

卡路里(C/2s)=4.5×速度×體重/1800(5)如果用戶在步行或跑步之后休息，則步數(shù)和距離將不變化，速度應為0，此時的卡路里消耗可以利用公式6計算（休息時的卡路里消耗約為1C/kg/h）。

卡路里(C/2s)=1×體重/1800(6)最后，我們可以將所有2秒間隔的卡路里相加，獲得總卡路里消耗量。3.3.6硬件連接圖

3.4LCD12864液晶顯示屏模塊設計3.4.1液晶顯示模塊概述12864A-1漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。主要技術參數(shù)和顯示特性:電源：VDD3.3V~+5V(內置升壓電路，無需負壓)；顯示內容：128列×64行顯示顏色：黃綠顯示角度：6：00鐘直視LCD類型：STN與MCU接口：8位或4位并行/3位串行配置LED背光多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等3.4.2基本特性:（1）、低電源電壓（VDD:+3.0--+5.5V）（2）、顯示分辨率:128×64點（3）、內置漢字字庫，提供8192個16×16點陣漢字(簡繁體可選)（4）、內置128個16×8點陣字符（5）、2MHZ時鐘頻率（6）