第1章  绪论

1.1  研究背景和意义 

随着人们生活水平的提高，社会竞争日趋激烈，人们的生活、工作压力越来越大，再加上人们缺乏对运动的了解，使得人们的身体状况越来越差，比如：肥胖引发的高血压，长时间的加班疲劳引发的心律失常。适度的体育活动，是预防和减轻某些疾病最简便和最经济的办法。在这个竞争如此激烈的社会中，合理的运动是必不可少的，这样才能让你的身体更好，更有效率。适当的运动能有效地减少血管中的脂肪，从而达到减肥的目的，同时还能减轻心脏的负担[1]。

锻炼并非越多越好，也并非越少越好。如果运动太多，就会对身体的协调能力和肌肉强度产生影响，从而导致工作效率下降，对身体的抵抗力也下降；运动强度低，不能达到运动水平。因此，有一种便携的装置，可以用来监控、管理人们的体育活动。运动记录仪是一款可以满足人们运动规范和监督的健康产品，它还可以提升使用者的运动意识，鼓励使用者进行持续的运动，让使用者能够合理的设定自己的运动目标，从而实现合理的锻炼。近年来，运动记录仪作为一种用于人体运动状态监控的仪器得到了广泛的应用，其测量的准确度直接影响着使用者对自身运动状态的掌握，同时也影响着使用者对其便携、使用的需求。

运动记录仪顾名思义，其最基本的功能就是对步数进行统计，凡是和行走相关的，比如：走路、跑步、上下楼梯等，都算在总步数里。除了计算步数之外，还可以根据自己的身高、体重来计算自己的运动距离以及所消耗的卡路里[2]。在市场需求不断扩大的情况下，诸如睡眠、血氧、温度、高度、心率、秒表和空气压力等功能的检测，也逐渐被整合到了运动记录仪中。因此，运动记录器已成为日常体育活动中不可缺少的可穿戴装置。

1.2  国内外研究现状

1.2.1  国内研究现状

通过对我国体育器材市场的调研，发现近几年来，体育器材行业的需求与市场规模不断扩大，体育器材行业发展势头良好。2012年，我国的电子运动记录仪产量为3520万只，其中3D电子运动记录仪的产量为1225万只，2D机械电子运动记录仪的产量为2295万只，但消费总量为1232万只，电子运动记录仪行业的市场规模为6.52亿元左右。2013年，我国电解质子产量在4220万左右，并有望在2017年达到3350万左右[3]。

当前，运动记录装置主要有机械型和电子型两类。机械式的运动记录仪，是通过人在行走的时候所发生的振动，引起了运动记录仪内部的簧片或者弹性小球的振动，来产生电子脉冲。这种机器虽然造价低廉，但精确度和敏感度都不高。该仪器采用单片机控制算法，实现了对人体行走过程中每一步的测量，并对测量结果进行了分析。

1.2.2  国外研究现状

在日本，最早的动作记录仪主要是用来进行运动的，也可以用来对人的走路步伐进行分析和记录。在1965年，动作记录器manpo（manpo在日语中的意思是一万步）在日本的商业市场正式上市[4]。这类动作记录装置一般使用沉重的机械开关来探测步幅，并配有一个简单的计数装置。如果你摇晃它们，你会听见一只铁球前后移动的声音，或是一只钟表从左到右摇摆，发出叮叮当当的声音。虽然价格不贵，但要挂在腰部，如果挂错了，就会影响到运动员的步数。这种机械式的动作记录装置已经退出了历史舞台，被3D电子运动记录仪装置所取代。3D电子运动记录仪采用三轴计步器传感器检测运动引起的加速度，并根据软件算法判断步数，相对于传统的机械运动记录仪，其步数的准确性有较大的提高。3D，就是可以从各个角度探测到人体的震动，无论你把它带到什么地方，都可以探测到你的步伐。

目前，国际上比较著名的体育录像机品牌有：美国的安康盟；日本的卡西欧，欧姆龙等等。而国内的著名品牌，则是康超力牌的多功能运动记录器[5]。此前，耐克与苹果共同开发了一种可以嵌入鞋子中的计步器，用以检测人们所走的步数。此外，有些公司还为老年人的体育项目，推出了老年人的运动记录仪。

上面所说的大部分运动记录仪都被放置在腰部、小腿、脚部以及口袋中，由于人体的这些部分都会伴随着身体的移动而发生有规律的改变，这样，戴在这些部位的传感器就能更精确的检测出人体的运动信号，为运动记录仪的设计提供了便利。但在2012年，耐克公司发布了一款适合人类佩戴的Fuelband运动型手环，这种手环可以让人佩戴在手腕上，这让它再次成为了一种潮流。之后又有BasisScience公司的BasisB1健康手表，Fitbit公司的新一代健康手表，还有咕咚智能手环，ibody手环，还有小米手环，这些都是新一代智能腕带产品。

1.3  论文章节安排

本课题以STC89C52低速微控制器为核心，以ADXL345型倾斜传感器为核心，设计了一种计步系统。

第一章：绪论部分，本文主要分析了本设计的现实背景和开发价值，并强调了相关技术的研究在现实中的重要应用意义。对该课题的有关研究情况进行了说明，提出发展过程中存在的问题，表明本次设计的实际意义。

第二章：介绍了对主要器件的选型，同时对论文的整体结构做出安排。

第三章：对系统的硬件部分，包括单片机电路模块，传感器数据采集模块，温度传感器采集模块，心率传感器采集模块，OLED显示模块等进行了详细的阐述。

第四章：对软件流程图进行介绍。

第五章：完成了系统的调试，并对系统的性能进行了验证。

第2章  系统总体结构设计与器件选型

2.1  设计要求

设计一款以单片机为控制核心的运动记录仪。利用传感器检测人体行走的步数、人体温度和心率等信息,通过LCD显示。系统基本要求如下：

1）能够有效的检测人体步行动作；

2）用传感器采集人体步数、温度和心率的信息；

3）能够显示采集到的信息

4）复位功能

2.2  系统总体结构设计

从系统的整体方案设置可以看出，我们的模块包含了加速度传感器模块、晶振模块、电源模块、显示模块、温度传感器模块、比较器模块、心率传感器模块和按键控制模块。方案结构图如图2-1所示。

图2-1  运动记录仪结构图

电源模块提供系统工作所需电源；晶振电路作为单片机的基本电路，为电路提供基本的时钟信号；加速度传感器通过采集人体运动所产生的的加速度来计算步数；温度传感器模块将温度变量转换为可传送的标准化输出信号；心率传感器模块通过监测血液颜色变化的间隔，进行换算来判断心脏的收缩频率；比较器模块将光敏电阻接收光照时产生的电阻值变化转换成电压信号；显示模块显示系统所采集到的信息；按键模块通过按键来进行操作。

2.3  主控制器的选型

方案一：选用STC89系列单片机作为系统的主控制器。

STC89系列是在MCS-51系列的基础上发展起来的。DIP40封装系列与8052MCU在指令系统、硬件架构、芯片资源上是完全相同的。STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz)，具有低功耗，在系统中应用可编程（ISP,IAP)，不占用户资源[6]。STC89系列单片机实物图如图2-2所示。

图2-2  STC89系列实物图

方案二：选用MSP430系列单片机作为系统的主控制器。

MSP430系列单片机是将多个具有不同功能的模拟数字电路模块与微处理机相组合，构成一套完整的单片机。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中[7]。MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计，开发，使用和调试中显示了比较显著的优势。MSP430系列单片机实物图如图2-3所示。

图2-3  MSP系列单片机实物图

方案选择：通过对两种类型单片机的比较，并根据试验的要求，选用了价格低廉，功耗较低，性能较好的STC89系列芯片。

2.4  计步传感器的选型

方案一：选用ADXL335传感器作为系统的计步传感器

ADXL335属于一种热对流式三轴计步器传感器，通过信号调理电压输出，它的最大测量范围为±2g，X和Y轴的带宽从0.5Hz到1600Hz，Z轴的带宽从0.5Hz到550Hz，它拥有良好的0g偏压稳定性和良好的灵敏度精确度，尤其适用于低频、高精度的控制测量场合[8]。ADXL335实物图如图2-4所示。

图2-4  ADXL335实物图

方案二：选用MMA7260传感器作为系统的计步传感器

MMA7260是美国 Freescale公司推出的三路高灵敏便携式录音机，采用了信号调谐、单级低通滤波、温度补偿等多种技术，可实现4路高度灵敏度。与其他数字量倾角传感器比较，使用三轴加速度计通过重力分量转换原理来测量角度，当然会更加准确。由于采用了模拟量，可将电压值转换为对应的倾角，因此，在很多要求测角的场合，也可尝试采用加速度计。MMA7260实物图如图2-5所示。

图2-5  MMA7260实物图

方案三：选用ADXL345传感器作为本系统的计步传感器

ADXL345体积小，功率小，能实现13比特的高精度测量，最大可达±16克。该数字输出是一种16比特的二进制补数形式，可以经由三线或四线的SPI或I2C数字接口进行存取。

ADXL345可用于斜率探测中的静重力加速度的测量，也可用于由移动或碰撞引起的动加速度的测量。其空间分辨率高（4mg/LSB)，可实现近0.25°的地磁倾斜[9]。由于采用了ADXL345等数位输出的方式，不需要进行模拟到数字的变换，因此既节约了系统的成本，又节约了板面的面积。该仪器具有很高的空间分辨能力（3.9mg/LSB)，可以实现1.0°以下的倾角变化的精确测量。ADXL345实物图如图2-6所示。

图2-6  ADXL345实物图

方案选择：在动作记录器感测器的选取上，我们以价格、功能、效能为基本原则。ADXL335的精确度非常高，一般用于军事领域或其它高精度领域。MMA7260的精度或许比不上ADXL335，但它的多功能切换能力无疑是最好的选择，只是由于运动记录器只有一个运动传感器，因此使用MMA7260多少有些浪费。而最后一种ADXL345，价格便宜并且功能完善。所以综合以上，我们选择了ADXL345作为本次设计的运动记录仪传感器。

2.5  心率传感器的选型

方案一：选用Pulse Senso脉搏心率传感器作为本系统的心率传感器。

Pulse Sensor是一款用于脉搏心率测量、脉搏波形测量和HRV分析的光电反射式模拟传感器，其使用的光电容积法原理为人体组织在血管搏动的同时会造成血管透光率不同[10]。此传感器拟采用560nm波段的光波对皮肤表面微脉冲信息有较好反应的特点，通过在发光段采用具有515nm峰值波长的绿色发光体，在光接收段采用具有565nm峰值波长的周围光感光体，获得高质量的脉搏信号[12]。Pulse Senso脉搏心率传感器实物图如图2-7所示。

图2-7  Pulse Senso脉搏心率传感器

方案二：选用MAX30102心率传感器作为本系统的心率传感器。

MAX30102是一个高灵敏度的血氧和心跳的检测仪器。电源为1.8V，LED的电源为5.0V，通讯使用的是标准的I2C接口，工作温度-40℃~+85℃，14管脚封装[13]，它的主要用途是在可穿戴设备和健身辅助设备上。

MAX30102心率传感器实物图如图2-8所示。

图2-8  MAX30102心率传感器实物图

方案选择：MAX20102心率传感器提取信号会限制人的活动，对两种心率传感器的成本、精度的对比，本次系统的心率传感器选择了Pulse Senso脉搏心率传感器。

2.6  温度传感器的选型

方案一：选用热电偶传感器作为本次系统的温度传感器。

热电偶测量温度的基本原理是将两根不同材料的导线连接在一起，形成一个封闭的回路，在两根导线的两端有一定的温度差时，电流就会在回路中流过，而在这个过程中，两根导线之间就会产生一种叫做“热电动势”的电场力，从这一点来看，热电偶的一个优势在于其无需外部电力供应[14]。此外，热电偶具有温度范围广、价格低廉、适用于多种大气条件等优势，但其测试精度较低，不适合于高精度测试及应用。热电偶传感器实物图如图2-9所示。

图2-9  热电偶传感器实物图

方案二：选用集成温度传感器作为本次系统的温度传感器。

集成电路（IC）温度传感器是将不同种类的温度传感器集成在一块芯片上，来完成对温度的检测。有着以下特点：功能单一，误差小，成本低，响应速度快，不用进行非线性校正，且周边电路简单[15]。集成温度传感器两种类型分别为LM35和DS18B20。集成温度传感器实物图如图2-10所示。

图2-10  集成温度传感器实物图

方案选择：本次设计的温度传感器主要用于对人体的温度进行测量，但是热电偶的测量精度不够高，因此，集成温度传感器具有误差小、价格低廉、速度快等优势。虽然功能比较单一，但作为本次系统的温度传感器足够满足功能要求，所以选用集成温度传感器作为本次系统的温度传感器。

2.7  本章小结

本章详细介绍了运动记录仪整体的硬件系统方案与器件选型，根据的功能的特点并结合实际情况对关键器件的材料进行选型，单片机先择了性价比较高的STC89系列单片机，加速度传感器选择功能符合要求的ADXL345加速度传感器，心率传感器根据精度和成本选择了Pulse Senso脉搏心率传感器，温度传感器选择了误差小、价格低、速度快的集成温度传感器，最后本章给出了运动记录仪硬件电路的设计方案。

第3章  系统硬件电路设计

3.1  单片机系统电路设计

3.1.1  单片机最小系统

随着电子学的不断进步，其功能也将日益成熟，其使用范围也日益普遍。目前在家用电器、电子产品以及军事装备中，单片机或微式电子计算机已经获得了更多的广泛应用[16]。单片机是工业控制系统中应用最为广泛的一种装置。而单片机的最小系统，指的是由组成单片机控制系统所需要的某些元件组成的一个系统，除单片机外，它还包含了电源供给电路、时钟电路和复位电路。

3.1.2  STC89C52单片机简介

STC89C52是一种具有8K的低功耗、高性能CMOS8位微控制器。阿特梅尔公司生产的高密度的非挥发记忆体，与80C51工业级的产品命令和引脚完全相容。片式闪存可使程式记忆于系统内进行程式设计，也适用于一般程式设计[17]。在单芯片上，利用灵活的8位CPU和在系统可编程Flash，使STC89C52在许多嵌入式控制应用系统中获得了广泛的应用。

STC89C52系统电路如图3-1所示。STC89C52的引脚说明：

主电源引脚(2根)

VCC(Pin40)：电源输入，接+5V电源

GND(Pin20)：接地线

外接晶振引脚(2根)

XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端

XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端

控制引脚(4根)

RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号

PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号

EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

可编程输入/输出引脚(32根)

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位(8根引脚)，共32根。

PO口(Pin39～Pin32)：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7 P1口(Pin1～Pin8)：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7 P2口(Pin21～Pin28)：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7 P3口(Pin10～Pin17)：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

图3-1  STC89C52单片机系统电路

3.2  运动记录仪传感器电路设计

在动作记录装置的控制系统中，由于只用一个传感器传输电信号，因此在计步传感器模块中省略了调整器、滤波器等电路，使得电路的设计、制作更加简便。另外，我们还可以对振动感应器进行选择，但从精度的角度出发，最终选用了计步器传感器[17]。在理论上，如果被测物属于匀加速直线运动，计步器传感器会有测量结果，但是振动传感器不会有。不过，在实际的情况下，一般都可以使用计步器传感器，如果读值不等于0，那么就可以判断出有振动。

3.2.1  ADXL345的工作原理

ADXL345加速度传感器模块以飞思卡尔ADXL345L DSR传感器为核心，通过高度的 EMC设计与优化，使其有着输出准确、尺寸小、工作稳定、多种标志清楚、良好的扩展性的特点。芯片ADXL345被安装于带有DIP引线的PCB上。模块的主要参数有：Z轴自检、低压工作范围2.4-3.6V、采用用户指定的寄存器进行修正、可编程阀值的切断输出、动作辨识、单脉冲、双脉冲、64LSB/g、2g/8g、10位模式、8位模式的灵敏度（±2g、±4g、±8g）、结构可靠、地震强度（5000g）、环保、成本低廉[18]。

ADXL345的组成如图3-2所示。ADXL345计步器传感器由G-单元和信号调理ASIC电路两部分组成，G-单元是一种采用半导体制作技术，由多晶硅的半导体材料制成，并是完全封闭的，图中的积分、放大、滤波、温度补偿、控制逻辑门和EEPROM的电路、振荡器、时钟生成器、以及自测等电路部分，实现了G-单元所测量的电容值和电流输出的变化[19]。

图3-2  ADXL345的组成

ADXL345是一种基于iMEMS技术的三轴数字化加速度传感器。该系统的最高分辨率可达13比特，可实现±2/4/8/16g的精确测量，且准确度优于1.0°。ADXL345提供标准I2C和SPI两种数字接口，内置32层FIFO存储器，具有多种状态检测功能，中断方式灵活[20]。ADXL345的检测轴如图3-3所示：

图3-3  ADXL345检测轴

3.2.2  ADXL345与单片机的接口电路

ADXL345接口电路如图3-4所示。ADXL345与MCU的连接电路十分简单，只需将SDA和SCL连接到单片机上即可。对于其它元件，如接地、供电、悬挂等，采用的是固定的接线方式。VCC接口上连接3.3伏至5伏的电源，并配有两个10欧的电阻性保护电路。

对于ADXL345的引脚功能：

引脚1 SCL/SPC为I2C时钟信号输出/SPI时钟信号输出

引脚2 SDA/SDI/SDO为I2C串行数据输出/SPI串行数据输入/3线接口串行数据输出。

引脚8 GND为接地线

引脚10为5V电源输入端

图3-4  传感器与单片机连接图

3.3  OLED显示电路设计

3.3.1  OLED简介

本系统采用的是OLED_96寸的OLED显示器。在一般的LCD中，LCD和背光板之间用一种特定的光栅隔开，这是目前主流的立体显示的基础。基于同样的原理，我们可以将这种立体显示技术应用到OLED显示器上，视差照明的主要作用是向观察者的左右眼睛中，发送相应的OLED屏幕和偶像素列的图像[21]。通过对图像进行分割，使图像具有立体效果。在视差照明三维显示系统中，视差光栅的设计是一个非常关键的环节，而视差光栅与显示屏之间的距离、光栅常数等都会对视差光栅的性能产生很大影响。它的轻薄、节能，是很多LCD都无法比拟的。OLED实物图如图3-5所示。

图3-5  OLED实物图

所有LCD都要求有背面照明，而OLED则没有这个要求，因为它自己发光，这样就能更好地显示出OLED的效果。以现在的科技水平，OLED还不能量产，但分辨率却是极高的。

3.3.2  OLED管脚功能

OLED管脚图如图3-6所示。模块引脚说明如下：

1）GND：电源地

2）VCC：电源正（3～5.5V）

3）D0：在SPI和IIC通信中为时钟管脚

4）D1：在SPI和IIC通信中为数据管脚

5）RES：用来复位（低电平复位）

6）D/C：数据和命令控制管脚

7）CS：也就是片选管脚

图3-6  OLED管脚图

3.3.3  OLED显示电路设计

OLED与单片机的接法是相对固定的，一般情况下，都是将OLED和单片机的控制管脚连接在一起，在功能设置指令中，可以将OLED的控制管脚设置为8位数据接口，也可以将OLED的控制管脚设置为4位数据接口。OLED屏幕电源为5V的正电极，负电极接地，背光源为5V的正电极，负电极接地。在此基础上，本项目拟采用一种新型的有机发光二极管（V0)，并将其连接至5V，从而实现对有机发光二极管液晶衬度的调控。但是，由于OLED在印刷电路板上所占的面积较小，所以没有考虑到OLED的衬度问题。

3.4  DS18B20温度传感器电路设计

DS18B20是一种温度传感器，可以用于温度测量。在DS18B20中，12位模数转换器由内部ADC负责，而32位RS-232串行通讯接口由外部MCU完成。在DS18B20中，32位RS-232串行通讯接口被用于接收来自DS18B20的温度信号。

DS18B20技术参数：

（1）在DS18B20中，使用一条专用的单线接口，实现了单片机和DS18B20的双向通讯。

（2）在-55℃至+125℃之间被测得的温度有1℃的自然温度误差。

（3）支持多点组网功能

（4）工作电源:3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）

（5）在使用中不需要任何外围元件

（6）测量结果以9~12位数字量方式串行传送

DS18B20工作的原理是，当单片机要对温度进行检测时，首先由DS18B20将数据输入到单片机，然后通过单片机内部的温度测量电路测量出温度值。DS18B20采用了电力供应和地信号线供应两种供电模式。如果DS18B20使用电源供电，那么它的一个引线连接到地，而另一个引线连接到电源。另外一个是无源供电方式，如图3-7所示，通过MCU接口与单根总线相连，利用一个MOS场效应晶体管来实现对总线的上拉，以确保DS18B20的有效时钟周期[22]。

图3-7  DS18B20与单片机的接口电路

在DS18B20进行写入存储运算及温度模数转换运算时，需要在总线上有很强的上拉力，上拉导通时间最长可达10us。在无源供电模式下，VDD端子接地。因为单线制系统中只有一条线路，所以传输接口必须为三态。DS18B20传感器实物图如图3-8所示。

图3-8  DS18B20传感器实物图

3.5  心率传感器模块电路设计

脉冲式心率感应器是一种用于测量心脏跳动速度的感应器，其本质上是一种光学式的心率感应器，内有放大器、消噪器等电路。该传感器能够产生与心脏跳动有关的相互作用。光敏元件是把脉冲讯号转换成可直接用手指触摸的电子信号，内部含有一个放大和去噪的电路。发光二极管会发光，当脉搏跳动的时候，指尖或耳垂动脉的血容量会发生周期的变化，指尖的光强度也会发生相应的变化。。在另一端，则是一个光电三极管，它把收到的红外线讯号转换成电子讯号。

一、接口说明

1）+  外接5V

2）-  外接GND

3）S  输出接口（0和1）

心率传感器模块实物图如图3-9所示。

图3-9  心率传感器实物

心率传感器采集通过LM393模块对心率的模拟信号转化为脉冲电平信号进行采集，心率传感器理论上输出的波形如图3-10所示：

图3-10  心率脉搏传感器输出波形图

在实验中，我们使用了一种直接用示波器来检测心跳信号的方法，得出的波形图如图3-11所示。和理论波形一致。

图3-11  心率脉搏传感器实际输出信号波形

通过LM393比较器模块滤波后的波形图如图3-12所示。

图3-12  心率脉搏传感器经比较器滤波后输出的波形图

3.6  LM393比较器模块设计

LM393为一个两位式的比较电路，在不受限于VCC端压的情况下，此输出负荷电阻器可以与任意供电电压相连。此输出量属于SPS，也可用作无负荷阻抗的断路器。当输出达到16mA的限制电流时，这个三极管就会停止工作，然后快速上升电压[23]。LM393模块参数如下：

1）供电电压：直流3-30V。

2）开关量输出：输出的高低值分别是供电电压和0伏。

3）基准电压调节范围：最小值：0V，最大值：供电电压。

4）大电流能力，输出可以带动继电器、LED等设备。

5）有电源指示灯和输出电平指示灯（输出为低指示灯亮，输出为高指示灯灭）。

LM393比较器模块电路接口图如图3-13所示。接口说明如下：

1）VCC  外接输入电压

2）GND  外接GND

3）D  小板数字量输出接口（0和1）

4）A  小板模拟量输出接口

图3-13  LM393比较器模块电路接口图

使用方法：当该传感器接口端子与该传感器相连后，基准电压由基准压整值调整，并将分压电阻与基准压进行比较，由此获得高低电平反差的结果。LM393比较器模块实物图如图3-14所示。

图3-14  LM393比较器模块实物图

3.7  开关与电源电路设计

3.7.1  开关电路

开关部分，按照运动记录仪的需要，设有设置、加、减三种基本键。完成各个模块的软件设计，实现与单片机的连接。在实际应用中，对于四角式开关，在布线时，重点是对角点和平点的连接。开关电路如图3-15所示。