毕业论文__基于飞思卡尔cortexm0+微控制器的计步器设计.docVIP

目 次 1 概述 1 1.1 背景与意义 1 1.2 国内外发展现状 1 1.3 课题介绍 2 2 课题方案论证 3 2.1 总体设计框图 3 2.2 功能描述 3 2.3 微控制器的选择 4 2.4 传感器的选择 6 2.5 显示器的选择 7 2.6 输入设备的选择 8 2.7 存储器的选择 10 2.8 电源的选择 10 2.9 关键指标 10 2.10 可行性分析 11 3 系统硬件设计 15 3.1 硬件整体设计 15 3.2 各模块设计与分析 16 3.3 小结 22 4 系统软件设计 24 4.1 软件整体设计 24 4.2 各模块设计与分析 25 4.3 小结 34 5 系统测试 36 5.1 滤波性能测试 36 5.2 计步器准确度测试 37 5.3 功耗测试 38 5.4 小结 38 总 结 39 致 谢 40 参 考 文 献 41 附录A 计步器原理图图纸 42 附录B 计步器部分程序 44 概述 背景与意义 随着生活水平的提高，人们越来越注重自己的身体健康。与此同时，科学技术的迅猛发展也催生了“可穿戴健康跟踪设备”的问世。研究如何通过“便携式健康跟踪器”改善人们的健康状况，将对人类的未来产生深远的影响。 计步器作为一款可穿戴健康跟踪设备，可以记录人的行走步数，反馈给用户准确的运动数据，帮助佩戴者量化锻炼强度、制定合理的健身方案，提醒佩戴者适当调节运动量，激励佩戴者坚持锻炼。 计步器起源于奶牛养殖业，后经外观和测量精度的改善，逐渐推广到医疗器械上面，并向个人保健养生方面延伸，曾一度引发了人们的锻炼热潮。随着人口老龄化时代的到来，计步器等相关产品的需求量持续增加，市场持续扩大。由此可见，计步器仍具有巨大的商业前景和研究价值。 国内外发展现状 早期的计步器设计采用机械一维振动传感器，利用机械球的来回运动来控制触点的通断，从而实现人体运动的检测，但是这种传感器的固有缺点是精度不高，灵敏度不可调。 近年来，随着三轴加速度传感器的出现，计步器得到了迅速地发展，其精确度也越来越高。三轴加速度传感器能够检测人运动时X、Y、Z轴三个方向的加速度分量，灵敏度较高。同时三轴加速度传感器的超低功耗和高集成度也使得计步器更加轻便。 目前，市面上计步器的基本功能有时间显示、跑表功能、步数检测、距离计算、能量消耗计算及个性化步幅设计。此外还有FM收音机、行走时间、闹钟提醒功能、步距设置、10000步提示、速度显示、能量消耗计算、心率检测、数据浏览等特色功能。市场上，国外知名品牌主要有：acumen（安康盟）、casio（卡西欧）、欧姆龙品牌等，而国产知名品牌有Green Forest/绿森林（武汉产）多功能计步器和康都牌计步器（广东产），价格在168-398元不等。 整体上，计步器正朝着功能多元化、体积小型化、寿命长、精度高，价格低等方面发展。 课题介绍 本课题的设计要求为：所设计的计步器须使用寿命长、检测精度高、系统功耗低、人机界面操作友好，能满足用户的日常需求。本课题设计的计步器的基本功能是计步，除此之外，还有行走距离换算、能量消耗计算、提醒是否满足日常运动需求等增值功能，并通过USB将采集的数据传送到上位机。拓展功能为对温度、湿度、气压等环境变量的检测。整个系统的设计理念为高精度，低功耗。 本课题选用了功耗极低、处理数据能力较强的基于Cortex-M0+内核的32位微控制器MKL25Z作为主控芯片。计步传感器采用三轴加速度传感器MMA8451Q，分辨率更高、反应速度更快、功耗更低。同时，在低功耗的基础上，为了改善用户界面，在输出设备中，我们选用了一块84×48分辨率的液晶屏作为显示器；在输入设备中，我们采用MKL25Z内置的TSI模块设计了5个电容触摸按键作为输入按键。 课题方案论证 总体设计框图 系统总体设计框图如图2.1所示。 图2.1 系统总体设计框图 功能描述 本设计利用三轴加速度传感器获取佩戴者运动时身体在三个轴的加速度分量，通过滤波算法和计步算法分析获取步数，配合佩戴者的身高、体重、步距等信息，换算得到行走距离和消耗的能量，并将相关信息显示在液晶屏上。利用本设计的电容触摸按键可快捷地控制屏幕显示相应信息。温湿度传感器采集到环境的温湿度参数后也可将环境的温湿度变化显示在液晶屏上。当佩戴者的特征信息和运动数据确定后，通过电容触摸按键的相关操作将其储存到微控制器的内部Flash中，保证信息在系统掉电后不丢失。用户也可以通过USB数据线将计步器连接至电脑终端，将记录的信息上传至上位机显示。 此外，在开发调试阶段，为实现对计步器的远程监控，本设计又另外增加了无线模块，将佩戴者X、Y、Z三个方向的加速度分量实时传送至上位机显示，可视化效果明显。为配合上述