基于加速度传感器的计步器设计（二）
来源: 加速度传感器网 2014/1/143.计步器系统硬件电路设计
3.1 加速度传感器电路
因为计步器控制系统需要传感器提供电信号，而由加速度传感器模块省略了调理电路和滤波电路，所以在电路设计与制作时较为方便。本身我们也可以选择振动传感器，而考虑到精确问题，最后选择了加速度传感器。理论上加速度传感器如果被测物处于匀加速直线运动中应该是加速度传感器有测量值而振动传感器没有，不过实际中基本可以用加速度传感器只要读值不为0即可认为有震动。
3.1.1 加速度传感器的选择
由于加速度传感器是电路的核心部分，所以它的选择格外重要，在选择传感器时我们应该注重以下几点。
（1）灵敏度的选择
灵敏度原则上来说是越灵敏越好，最小加速度测量值也称最小分辨率，考虑到后级放大电路噪声问题，应尽量远离最小可用值，以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度计自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压，估算方法：最大被测加速度传感器的电荷/电压灵敏度，以上数值是否超过配套仪器的最大输入电荷/电压值，建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择(兼顾频响、重量)，同时，在频响、重量允许的情况下，灵敏度可考虑高些，以提高后续仪器输入信号，提高信噪比。
在兼顾频响、重量的同时，可参照以下范围选择传感器灵敏度：土木工程原型和超大型机械结构的振动在0.1g～ 10g左右，可选3000pC/g～300pC/g的加速度计，机械设备的振动在10g～100g左右，可选择20pC/g～200pC/g的加速度计，冲击可选0.1pC/g～20pC/g左右的加速度计。
（2）频率选择
选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率，有倍频分析要求的加速度计频响应更高。土木工程是低频，加速度计可选择0.2Hz～1kHz左右，机械设备一般是中频段，可根据设备转速、设备刚度等因素综合估计频率，选择0.5Hz～5kHz的加速度计。冲击测量高频居多。
加速度计的安装方式不同也会改变使用频响(对振动值影响不大)，安装面要平整、光洁，安装选择应根据方便、安全的原则。这里给出同一只KD1005加速度计不同安装方式的使用频率：螺钉5kHz，环氧或“502”4kHz，磁吸盘1.5kHz，双面胶0.5kHz，由此可见，安装方式对测试频响影响很大，应注意选择。
加速度计的重量、灵敏度与使用频率成反比，灵敏度高，重量大，使用频率低，这也是选择的技巧。
（3）内部结构
内部结构是指敏感材料晶体片感受振动的方式及安装形式，有压缩和剪切两大类，常见的有中心压缩、平面剪切、三角剪切、环型剪切。中心压缩频响高于剪切型，剪切型的环境适应性好于中心压缩型。如配用积分型电荷放大器测量速度、位移时，最好选用剪切型产品，这样所得信号波动小，稳定性好。
内置的概念是将电荷/电压转换放大电路置于加速度计内，成为具有电压输出功能的传感元件。它可分双电源(四线)及单电源(二线并带偏置的称ICP)两种，下面所指内装电路专指ICP型。目前，内置电路传感器在国内使用较多的方面是用于机械故障、桩基检测，不少在线监测项目上也在使用该类产品。ICP传感器的芯线作供电并又是信号输出通道。内置电路传感器灵敏度的选型计算：如选用目前最为通用的100mV/g,可测50g以内振动，因为该传感器动态范围±5Vp，如测量100g，则用50mV/g的加速度计，其余以此类推。内置电路的优势是低价位，抗干扰好，可长线使用，但它的耐高温、可靠性不如电荷输出产品，且动态范围也因输出电压和偏置电压的作用而受到限制。
（5）环境影响
某些测试现场的环境较为恶劣，考虑的因素较多，如防水、高温、安装位置、强磁电场及地回路等，均会给测量带来极大的影响。防水有两个概念，浅层防水和深层防水，尤以深层防水为难，如三峡工程永久船闸闸门的振动监测，水深近百米，它涉及地回路干扰、高压渗水、导线防护、长期可靠性等诸多问题。多数厂商给出的温度范围为可用值，而不是高温状况的灵敏度，实际上，高温时灵敏度偏差较大，特殊用户应向厂商索取专用的高温时的灵敏度指标，灵敏度指标是保证测试准确的关键。加速度计永久安装在现场会受到人为碰撞，应选择工业型产品，在加速度计外加装防护罩，这可同时起绝缘、防尘的作用，对出线方向有要求也应向厂商提出，对于不能触及的部位，可用手持式加速度计(带长探针)。
绝缘、地回路及磁电场辐射：辐射较强的测试现场，应选择特殊外壳材料的加速度计和专用导线，此类研究国内罕见。对于多点接地、潮湿等现场，要解决好测试干扰则可用浮地或绝缘型加速度计。为了克服多点接地产生地回路电流影响测试，可以选用浮地或绝缘传感器。没有特殊要求且干扰不大的工况，可用绝缘型加速度计。而永久型监测或干扰大的工况则应采用浮地型。这二种命名的区别在于绝缘型传感器的外壳为信号地，底座采取绝缘方法，而浮地型产品的外壳为屏蔽层，要采取三线方式。附加质量：在振动结构上安装的加速度计的质量只要小于结构自身质量的1/10即可，认为对被测信号无大影响。
3.1.2 几种重要的加速度传感器
（1）ADXL335
ADXL335是一种热对流式三轴加速度传感器,经信号调理电压输出,最大测量范围为±2g,X和Y轴的带宽从0.5Hz到1600Hz,Z轴带宽从0.5Hz到550Hz,具有良好的零g偏压稳定性和良好的灵敏度精确度,特别适合于低频、高精度的控制、测量场合。
图10.ADXL335
图11.ADXL335内部结构
（2）MMA7260
MMA7260 是美国Freescale 公司的一款低成本单芯片三轴高灵敏度加速度传感器，是一种电容式的加速度传感器，融合了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，并且具有4 种不同的高灵敏度选择模式.
图12.MMA7260
图13.MMA7260内部结构
（3）MMA7455
MMA745 是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0g 偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。客户可使用指定的0g 寄存器和g-Select 量程选择对0g 偏置进行校准， 量程可通过命令选择 3 个加速度范围（2g/4g/8g）。MMA745xL 系列具备待机模式，使它成为以电池为电源的手持式电子器件的理想选择。
图14.MMA7455
在加速度传感器的选择上我们采取的是成本，功能，性能综合考虑的原则。对于ADXL335来说精度过高，它一般用于高精度，例如军工等。对于MMA7260来说它的精度没有ADXL335高，但它具有的多功能切换是多功能智能仪器的不二之选，但是由于计步器只是需要加速度传感器而已，对于使用MMA7260来说，显得过于奢侈了。而最后的MMA7455，它的精度一般，但它足够计算人们在步行或者跑步时候的频率，而且它的内部电路如信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测等功能齐全，所以综上所述我们选择MMA7455作为本次设计的传感器芯片。
3.1.3 MMA7455的工作原理与管脚排列
MMA7455 数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的MMA7455L
数字三轴加速度传感器，该模块设计板卡线路经过高电磁兼容设计和优化，具有输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。MMA7455L 芯片安装在带DIP 插脚的印刷电路板（PCB）上。模块主要参数包括 Z 轴自测，低压操作：
2.4V – 3.6V，用于偏置校准的用户指定寄存器，可编程阀值中断输出，电平检测模式运动识别（冲击、震动、自由下落），脉冲检测模式单脉冲或双脉冲识别，灵敏度 64 LSB/g @ 2g /8g 10 位模式，8 位模式的可选灵敏度（±2g、±4g、±8g） ，可靠的设计、高抗震性（5000g），环保型产品，低成本。
MMA7455加速度传感器由2部分组成：G-单元和信号调理ASIC电路，如图15所示。G-单元是机械结构，它是用半导体制作技术、由多晶硅半导体材料制成，并且是密封的，图1中的积分、放大、滤波、温度补偿、控制逻辑和EEPROM相关电路、振荡器、时钟生成器、以及自检等电路组成，完成G-单元测量的电容值到电压输出的转换。
图15
G-单元的等效电路如图16所示，它相当于在2个固定的电容极板中间放置1个可移动的极板。当有加速度作用于系统时，中间极板偏离静止位置。用中间极板偏离静止位置的距离测量加速度，中间极板与其中一个固定极板的距离增加，同时与另一个固定极板的距离减少，且距离变化值相等。距离的变化使得2个极板间的电容改变(如图2所示)，电容值的计算公式是：C=Ae/D，其中A是极板的面积，D是极板间的距离，e是电介质常数。 信号调理ASIC电路将G-单元测量的2个电容值转换成加速度值，并使加速度与输出电压成正比。当测量完毕后在INT1/INT2输出高电平，用户可以通过I2C或SPI接口读取MMA7455L内部寄存器的值，判断运动的方向。自检单元用于保证G-单元和加速计芯片的电路工作正常，出电压成比例。
图16
图17.MMA7455的管脚排列
图18.MMA7455
对于MMA7455的引脚功能：
引脚1 DVDD_IO为3.3V 电源输入端（数字） 引脚2 GND 为接地线
引脚3 N/C为空引脚，不接或接地
引脚4 IADDR0为I2C地址0位
引脚5 GND为接地
引脚6 AVDD为3.3V 电源输入端（模拟） 引脚7 CS为SPI 使能(0)，I2C 使能(1)
引脚8 INT1/DRDY为中断1/数据就绪
引脚9 INT2为中断2
引脚10 引脚11 N/C 为空引脚，不接或接地
引脚12 SDO为SPI 串行数据输出
引脚 13 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14 SCL/SPC为I2C 时钟信号输出/SPI 时钟信号输出。
3.1.4 MMA7455与单片机的接口电路
MMA7455与单片机的接口电路非常简单，分别是SDA与SCL两个接口与单片机相连。传感器其他部分如接地，接电源，悬空等都是固定接法。在VCC端口接3.3V到5V电源供电均可，另有两个10千欧的电阻保护电路。
由于采用网络标号，只需看到
SDA，SCL分别接到14,15引脚。
图19.传感器与单片机连接图
3.2 单片机系统电路
3.2.1 单片机最小系统
随着电子技术的发展，单片机的功能将会更加的完善，因而单片机的应用将更加普及。单片机在家电，电子，军工等控制方面得到更加广泛的应用。单片机将是智能仪器应用最多的。单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。
3.2.2 AT89S52 单片机简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。
P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5 MOSI（在系统编程用）
P1.6 MISO（在系统编程用）
P1.7 SCK（在系统编程用）
P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用端口引脚第二功能：
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 INTO(外中断0)
P3.3 INT1(外中断1)
P3.4 TO(定时/计数器0)
P3.5 T1(定时/计数器1)
P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 RD(外部数据存储器读选通
RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：振荡器反相放大器的输出端
图20.单片机系统电路
3.3 LCD显示电路
3.3.1 LCD1602简介
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
图21 LCD1602
3.3.2 LCD1602管脚功能
1602采用标准的16脚接口，其中：
引脚1：VSS为电源地
引脚2：VCC接5V电源正极
引脚3：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高
引脚4：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 引脚5：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
引脚6：E(或EN)端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。
引脚7～14：D0～D7为8位双向数据端。
引脚15～16：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
图22 1602管脚图
3.3.3 LCD1602显示电路设计
1602与单片机的接法较为固定，1602 液晶的控制管脚都接到了单片
机管脚上，，在功能设置指令中可以将液晶设为8 位数据接口和4 位数据接口，，当然也可以当四位数据接口来用。液晶电源正端接5V，负端接地，背光正端接5V，负端接地。此外，液晶的偏压管脚（VO）接到一个电位器的中间抽头，电位器的两端分别接5V 和地，这样就可通过调节电位器来实现对1602 液晶对比度的调节。但由于考虑到最后制作PCB板的空间有限，不设计液晶对比度问题。
图23 LCD与单片机连接图
3.4 开关与电源电路
3.4.1 开关电路
在开关电路中，根据计步器所要实现的功能，我设定了3个基本按键，分别代表开始、停止与重新开始。它们的功能是通过软件来实现的，分别与单片机相接，达到所要求的目的。在具体设计中，我采用四角开关，在接线时注意对角接为导通，平角接为短路。
图24.按键电路
三个按键分别接单片机的p14p15p16口，其中按键一是开始，在计步器通电后，按开始按键才能计数，不按开始键则无法计数。按键二为停止键，在计步器工作到一段时间使用者希望查看当前计步状态，则可以停止当前计步。按键三为重新开始，特别注意的是重新开始无需再按按键一，即可在原有的步数上继续计步。如要清零，则可以使用单片机复位键。
电源电路中，我采用三节五号电池，4.5V足够带动单片机、传感器、LCD运作。只需要配上合适的电池盒，用导线在PCB板上焊好即可。简单，方便。
图25.电源电路
在电源电路中我放置了一个LED小灯泡，用来检测电源是否损坏或者没有连接好。
4 计步器系统软件设计
4.1 主程序流程图
传感器模块是由MMA7455 来对人行走时的加速度信号进行检测，其XYZ 轴分别对人体行走时在水平前向、侧向和垂直方向上产生的加速度信号进行检测，能够提高对人体行走时加速度信号的测量精度，另外可以在此模拟输出脚上接上电容和电阻形成低通滤波器对高频噪音和干扰信号进行滤波，从而减小测量误差。控制模块主要对加速度信号进行读取和显示步数信息。 单片机的PA0 ～ PA2 分别于MMA7455的三轴XYZ 输出端口相连接，经过微控制器相关算法得出人体行走时的步数，并将该步数信号通过LCD 液晶显示屏进行显示，同时可通过按键对LCD 进行显示、关闭和清零等操作。
图26.主程序流程图
4.2子程序流程图
在获取加速度信号时，采样频率的选择很重要。采样频率过低，不能准确反映数据变化的情况。采样频率过高，则会引入很多无关的信息，增加了系统的运算量，影响反应速度。需要根据实际情况选择合适的采样频率。而人行走时的频率一般为110 步/ 每分钟( 即1.8Hz)，跑步时也不超过5Hz，本设计设定采样频率为10Hz。
图27.检测加速度信号流程图
5 计步器调试与结果分析
5.1 实物系统调试
本次设计最开始采用Protel设计原理图并根据此制作PCB板，在软件方面用Protues设计系统仿真，利用Protues进行单片机控制仿真还要安装Keil C语言编程软件。
图28.计步器PCB板
制作PCB板时注意布线不要过于紧凑，在焊锡时候容易焊在一起导致短路，本次设计的PCB板是简易PCB板，.将转印纸有图的一面紧贴覆铜板有铜一面，设法将纸固定（如用透明胶等）；铜面朝上，水平放入热转印机，稍用力送入，感觉板被夹住后放手；PCB板从机器另一边出来后，缓慢将转印纸分离，并检查转印结果是否符合要求，若出现断线等情况，可用油性笔补上。然后对铜板进行腐蚀只有电路上附有铜板，清洗就是要将PCB板上的墨粉去掉，露出光洁的铜线；松香是助焊剂，助焊剂的作用是辅助热传导、去除氧化物、降低被焊接材质表面张力、去除被焊接材质表面油污、增大焊接面积、防止再氧化等，在这几个方面中比较关键的作用有两个就是：去除氧化物与降低被焊接材质表面张力。
在PCB板制作好后，将电子元件焊上去，由于封装号在PCB制作时已经完善，所以在焊板子时候不会有什么太大的困难。最后利用单片机开发板将程序烧到单片机里，计步器制作完成。
图29.计步器实物图
在计步器功能实现上，我们按下按键一开始计步，在走了若干步后按下按键二停止键。
图30.计步器实物图
如要计步器继续计数可以按下按键三继续计步，如图31。
5.2 结果分析
在实物调试中基本实现了本次设计的基本要求，四个按键不存在不灵敏的问题，电池盒与PCB板连接良好，犹如在设计时电源电路正负极距离较近，在焊锡时候特别注意了这个问题，以防电池短接。
总之，此次调试较为顺利。
6 总结与展望
本次论文基于单片机设计了跑步机计步器及其外围电路，对于计步器进行了实物调试，在整个计步器控制系统中主要完成了以下任务。
（1）完成了计步器及其外围电路的总体设计方案。
（2）完成了计步器系统硬件电路设计，选择了合适的加速度传感器，简化了显示装置较为经济。
（3）进行了实物仿真，实现了计步器的计步功能，可以开始停止与从新开始。
在计步器控制系统及其外围电路的设计中，基本实现了预期设计目标。对于设计过程遇到了很多问题，有些问题通过自己的努力与他人的帮助解决了一些。但是还有一些问题乳下所示，仍然需要进一步研究：
（1） 有时候会存在走10步但只显示8到9步的情况，初步估计是加速度传感器灵敏度与程序中所设定的10HZ采样频率有关。
（2） 电源电路的设计问题，本身计步器的优点就是便携，但是电池盒与PCB板的连接没有固定，不善于携带，甚至奔跑。
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