初稿---多功能健身计步鞋的设计讲解

2021年3月2日发(作者：焦虑症治疗方法)
武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸





本科毕业论文（设计）










论
文
题
目

：

姓
学
班
年
专
学
名

：

号

：

级

：

级

：

业

：

院

：

多功能健身计步鞋的设计

何云俊

1
1004
班

2010
级

电气工程及其自动化

信息工程学院

展慧


讲师

2014
年
5
月
15
日

指
导
教
师

：

完
成
时
间

：





武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸


作者声明



本毕业论文
（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的，没有剽< br>窃、抄袭、造假等违反道德。学术规范和其他侵权行为。对本论文（设计）
的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业
论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。




毕业论文（设计）成果归武昌工学院所有。





特此声明




作者专业：电气工程

作者学号：
1
作者签名：何云俊

年



月



日



武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸


多功能健身计步鞋的设计

何云俊

Multi-function pedometer fitness shoe design
He, Yun jun










2014
年
5
月
15
日


摘

要


计步鞋的出现，
为户外跑步提供了一 种简单的效果评价设备。
它适合于许多
人群，
特别是为普通群众提供了一种方便的非专 业测试工具。
无论是专业运动员，
还是一般的普通使用者，
都能利用这种产品来检测自 己的运动结果。
本设计主要
研究以单片机
AT89S52
芯片为系统核心，加 上足底压力接触器，液晶显示器以
及必要的外围电路，
构成一个多功能健身计步鞋系统。
计步鞋利用足底压力接触
器进行设计，
能够满足实时检测足底压力的要求，
采集足底 压力信号，
然后调理
整形，
最后有由单片机实现步数、
体能的消耗以及显示等 功能，
本系统还可当做
计时器和秒表用等。
其中研究的主要有两个方面：
一是 硬件部分的设计，
包括芯
片的选择、
压力的采集、
电路的整形、
显示 电路以及按键控制；
二是软件的设计，
运用
C
语言对其进行编程，实现步数、 消耗能量以及时间的显示。


关键字
：
AT89S52
芯片；计步鞋

；压力采集；电路


















1
武昌工学院毕业论文（设计）专用稿纸

Abstract
Appears pedometer shoes for outdoor provides a simple evaluation of the effect
of
the
device
running
.
It
is
suitable
for
many
people,
especially
to
provide
a
convenient
tool
for
the
non- professional
test
ordinary
people
.
Whether
it
is
a
professional
athlete
or
an
ordinary
user
can
use
this
product
to
test
their
campaign
results.
This
design
study
for
the
system
microcontroller
AT89S52
chip
core
,
plus
plantar
pressure
contactors,
liquid
crystal
displays
and
the
necessary
peripheral
circuits to form a multi-purpose fitness shoe pedometer system . Pedometer use shoe
plantar
pressure
contactors
are
designed
to
meet
the
requirements
of
real- time
detection of plantar pressure , collecting plantar pressure signal, and then conditioning
shaping,
finally
there
is
the
number
of
steps
by
the
MCU
,
physical
exertion
and
display functions , the system can also be used as a timer and stopwatch etc. Which
the study has two main aspects: First, the hardware part of the design , including the
choice
of
plastic
chips
,
the
pressure
of
the
collection,
circuit
,
display
circuit
and
control
buttons
;
Second,
software
design
,
the
use
of
C
programming
language
be
realized the number of steps , time , and energy consumption of the display .

Keywords
:

AT89S52 chip; Pedometer shoes; pressure acquisition; Circuit

5
目




录

1
绪论

................................... ................
1

1.1
本选题研究的目的及意义< br>.......................................
1

1.2
本选题国内外研究状况综述
............. ........................
1

1.3
本选题研 究的主要内容
........................................ .
2

2
总体设计方案

...........................................
3

2.1
设计目的
..................... ................................
3

2.1
总体方案设计
.................................... .............
3

3
芯片介绍

... ............................................
4

3.1 AT89S52
.................... .................................
4

3.2
液晶显示
LCD1602....................... ......................
7

3.3
压电薄膜传感器

.............................................
1
0

4
硬件部分的设计

........................................
13

4.1
微处理器及液晶显示相关电路

.................................
1
3

4.2
传感器采样电路

.............................................
1
3

4.3
调理整形电路

........ .......................................
1
4

4.4
显示电路

.......... .........................................
1
5

5
软件部分的设计

........................................
16

5.1
主控模块

.............. .....................................
1
6

5.2
定时器中断模块

.............................................
1
6

5.3
步数计算模块

........ .......................................
1
7

5.4
能耗计算模块

........ .......................................
1
8

5.5
按键扫描模块

........ .......................................
1
8

6
实验结果

..............................................
19

7
总结

.................. ................................
19

8
参考文献

..............................................
20







1
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1
绪论

在中国 传统中医学中有个很重要的理叫“上攻治未病”
，它的意思就是要重
视预防和保健，
然 而运动是预防和保健最为有效的办法。
在人们生活中众多的运
动方式当中，
有一种运动 是最具历史传统、
最为广泛、
最易实现而且效果明显的
运动方式，
它就是跑步 。
跑步运动其实是很有讲究的，
怎样锻炼才能达到保健的
最佳效果。
这就给我 们提出一个问题，
怎么评价跑步运动的锻炼效果，
如何解决，
这也是医学工程技术人员 应该研究的课题。

1.1
本选题研究的目的及意义

随着社会经济 不断的发展和人民生活水平的迅速提高，
人们的健康意识在不
断增强，
越来越重视通过 体育活动来改善自己的健康情况。
加强锻炼，
成为了人
们改善健康状况的主要方式，< br>例如慢跑或者散步，
特别是老年人或某些特殊病人，
他们需要根据医师的指导意见，计算步行速度或者计算活动量，
这时各种计步器
就随之而生，
为其提供了一中简单 的活动效果评估设备，
提高了人们的办事效率。
而传统的计步器是对步行者的步数进行计数，< br>主要是利用不行时髋关节移动进行
计数，
髋关节对灵敏度的影响较大，
计步的准 确性降低。
为了克服传统计步器的
缺点，设计一种具有液晶显示和能计算活动能耗的多功能计步 鞋，以
AT89S52
单片机为核心，
通过压力传感器检测脚底压力，
然后调 理整形，
然后根据所计步
数和输入的参数计算出能耗，
最后通过液晶显示步数、
能耗和时间。
其中
AT89S52
芯片是美国
ATMEL
公司生产 的低功耗，
高性能
CMOS 8
位单片机，
他的应用范
围广，可靠性高，成本低，操作方便。

所 以，
用
AT89S52
芯片构成多功能计步鞋系统，
结构简单，
在液 晶显示器上
可以得到我们想要的锻炼效果数据，
十分方便。
它避免了传统上许多繁琐复 杂的
工作，
为我们提供了一种普通方便的非专业测试工具，
简化工作方式，
跟 上时代
的变化。

1.2
本选题国内外研究状况综述

目前 ，单片机国外蒸蒸日上，厂家繁多，种类齐全，速度越来越快，功耗越
来越低，
性能越来越强，
国内除台湾做的比较好外，
大陆也有几家具备研发和生
产能力，如上海华虹、海尔等， 只不过大陆产品占的市场份额太小了，没有竞争
力。

计步鞋用的芯片
AT8 9S52
单片机是一种低功耗高性能的
CMOS8
位微控制
器，内置
8KB
可在线编程闪存。该器件采用
Atmel
公司的高密度非易失性存储
技 术生产，其指令与工业标准的
80C51
指令集兼容。片内程序存储器允许重复
在线编 程，
允许程序存储器在系统内通过
SPI
串行口改写或用同用的非易失性存

1
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储器改写。通过把通用的
8
位
CPU
与可在线下载的
Flash
集成在一个芯片上，
AT89S52
便成为一个高效的微型计算机。
它的应用范围广，
可用于解决复杂的 控
制问题，且成本较低。

目前，
计步鞋虽然已经出现在了人们的日常生活中 ，
但是种类比较少，
市场
空间巨大，得不到满足。国外的技术水平在一定程度上要高于 国内的技术水平，
计步鞋的开发和应用较之国内也要好。
计步鞋主要包括鞋帮、
鞋底、
压力接触器、
电线、
微型电器和液晶屏；
每天活动时随着脚板着地，
人体重量触动压力接触器，
通过电线传送给微型电器，
记录所行走的步数，
在液晶屏上 显示出来。
微型电器
有计步清屏功能，可了解每天的活动量，督促锻炼身体。还可设钟表功能、 计步
和时间转换功能，
抬脚随意查看步数和时间，
免却了带手表的麻烦，
也是 对现行
生活习惯的改进。

1.3
本选题研究的主要内容

本设计主要研究以单片机
AT89S52
芯片为系统核心，
加上足底压力接触器，液晶显示器以及必要的外围电路，
构成一个多功能健身计步鞋系统。
计步鞋利用
足 底压力接触器进行设计，
能够满足实时检测足底压力的要求，
采集足底压力信
号，然后 调理整形，最后有由单片机实现步数、体能的消耗以及显示等功能，本
系统还可当做计时器和秒表用等。
其中研究的主要有两个方面：
一是硬件部分的
设计，包括芯片的选择、压力的采集、电 路的整形、显示电路以及按键控制；二
是软件的设计，运用
C
语言对其进行编程，实现 步数、消耗能量以及时间的显
示。














2
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2
总体设计方案

2.1
设计目的






（
1
）能对步行者的步数进行计数，还可以准确地应用于跑步计步；

（
2
）能显示和提示被测者的步数和所花时间；

（
3
）能
通过公式换算出被测者的能量消耗，并同步显示出来。

2.1
总体方案设计

本设计采用
ATMEL
公司的
AT89S52
单片机为系统核心，
先由传感器采集足
底压力信号，经过放大、滤波，然后通过比较器与设定阈值进行比较，得到能 反
应步数的方波信号，再由单片机的
I/O
口记录步数，根据记录到的步数和输入的
参数计算活动量，
最后通过液晶实时显示步数，
能耗和时间。
系统框图如下图 所
示。

整形电路

复位电路

蜂鸣器

功能键

压力传感

AT89S52

启动
/
停止键

LCD1602
电源














3
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3
芯片介绍


3.1 AT89S52
AT89S52
是 一种低功耗、高性能
CMOS8
位微控制器，具有
8K
在系统可编
程
Flsah
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。
因此，
AT89S52
能 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、
高有效的
解决方案。

(1) AT89S52
的主要特性：

①

与
MCS-51
单片机产品兼容；

②
8K
字节在系统可编程
Flash
存储器；

③
1000
次擦写周期；

④

全静态工作：
0Hz-33Hz
；

⑤

三级加密程序存储器；

⑥
32
根可编程
I/O
线；三个
16
位定时器
/
计数器；
8
个中断源；

⑦

看门狗定时器；

⑧

双数据指针；


⑨

全双工
UART
串行通道；

⑩

低功耗的闲置和掉电模式；掉电后中断可唤醒；掉电标示符。

(2) AT89S52
的引脚图

1
芯片
AT89S52
的引脚排列和逻辑符号见图
3.1
所示：

○
(T2)
P1.0
(T2 EX)
P1.1
P1.2P1.3
P1.4
(MOSI)
P1.5
(MISO)
P1.6
(SCK)
P1.7
RST
(RXD)
P3.0
(TXD)
P3.1
(INT0)
P3.2
(INT1)
P3.3
(T 0)
P3.4
(T1)
P3.5
(WR)
P3.6
(RD)
P3.7
XTAL2
XTAL1
GND
1
2
34
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
40
39
38
37
36
35
34
33
3231
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
VCC
P0.0
A0
P0.1
A1< br>P0.2
A2
P0.3
A3
P0.4
A4
P0.5< br>A5
P0.6
A6
P0.7
A7
EA/VPP
ALE /PROG
PSEN
P2.7
A15
P2.6
A14
P2. 5
A13
P2.4
A12
P2.3
A11
P2.2
A10
P2.1
A9
P2.0
A8

图
3.1

AT89S52
单片机引脚图

2
芯片
AT89 S52
的片内结构图见图
3.2
所示：

○
A
T
8
9
S
5
2

4
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图
3.2


AT89S52
片内结构

(3) AT89S52
的引脚功能介绍

单片机芯片
AT89S52
为40
引脚双列直插式封装。
其各个引脚功能介绍如下：

①
VCC
：供电电压；

②
GND
：接地；

③
P0
口

P0
口是一个内部提供上拉电阻的
8
位双向
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
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
字节且需要外部上拉电阻 。

④
P1
口

P1
口是一个内部提供上拉电阻 的
8
位双向
I/O
口，
P1
输出缓冲器能驱动
4< br>个

5
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TTL逻辑电平。对
P1
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。在
flash
编程和校验时，
P1
口接收低
8
位地址字节。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/T2 EX
）
，
P1
口的第二功能见表
3.1
所示：

表
3.1

P1
口的第二功能

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
T2 EX（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）

⑤
P2
口

P2
口是一个内部提供上拉电阻的
8
位双向
I/O
口，
P2
口缓冲器可接收，输
出
4
个
TTL
门电流，当
P2
口被写
“1”
时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且
作为输入。作为输入时 ，
P2
口的管脚电位被外部拉低，将输出电流。当
P2
口用
于外部程 序存储器或
16
位地址外部数据存储器进行存取时，
P2
口输出地址的高八位。在使用
8
位地址访问外部数据存储器时，
P2
口输出
P2
锁存器的内容。
P2
口在
FLASH
编程和校验时接收高八位地址信 号和控制信号。

⑥
P3
口

P3
口是一个内部 提供上拉电阻的
8
位双向
I/O
口，可接收输出
4
个
TTL
门
电流。
当
P3
口写入
“1”
后，
它们被内部上拉为高电平，
并用作输入。
作为输入时，
由于外部下拉为低电平，P3
口将输出电流。
P3
口也可作为
AT89S52
的一些特殊
功能口，
同时
P3
口为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
P3
口的特殊功能
见表
3.2
所示：


表
3.2

P3
口的特殊功能

端口定义

P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
符号表示

RXD
TXD
INT0
INT1
T0
T1
WR
功能描述

串行输入口

串行输出口

外部中断
0
外部中断
1
定时器
0
外部输入

定时器
1
外部输入

外部数据存储器写


6
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P3.7
⑦
RST
RD
外部数据存储器读

RST
为复位输入端。当振荡器复位时， 要保持
RST
脚两个机器周期的高电平
时间。看门狗计时完成后，
RST脚输出
96
个晶振周期的高电平。特殊寄存器
AUXR(
地址
8 EH)
上的
DISRTO
位可以使此功能无效。
DISRTO
默认状 态下，复位
高电平有效。

⑧
ALE/PROG
当访问外部存储 器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在
FLASH
编程期间，此 引脚用于输入编程脉冲。在平时，
ALE
端以不变的频率
周期输出正脉冲信号，此频率 为振荡器频率的
1/6
。因此它可用作对外部输出的
脉冲或用于定时的目的。然而要注 意每当用作外部数据存储器时，将跳过一个
ALE
脉冲，如果想禁止
ALE
的 输出可在
SFR8EH
地址上置
0
。此时，
ALE
只有在执
行
MOVX
，
MOVC
指令时
ALE
才起作用，另 外，该引脚被略微拉高。如果微处理
器在外部执行状态
ALE
禁止，置位无效。

⑨
PSEN
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期 间，
每个机器周期
PSEN
两次有效，
但在访问外部数据存储器时，
这两次有效的
PSEN
信号将不出现。

⑩
EA/VPP
当
EA
保持低电平时，访问外部
ROM
；注意加密方式
1
时，
EA
将内部锁定为
RESET
；当
EA
端保持高电平时 ，访问内部
ROM
。在
FLASH
编程期间，此引脚也
用于施加12V
编程电源
(VPP)
。

11

XTAL1
：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

○
12

XTAL2
：来自反向振荡器的输出。

○
3.2

液晶显示
LCD1602
（
1
）
LCD1602
的主要特性

①具有字符发 生器
ROM
，显示为
16×
2
个字符；

②具有
80B
的数据显示存储器；

③芯片工作电压为
5V
。

（
2
）引脚说明

①
LCD1602
共有
16
个引脚，其引脚分布见图
3.3
所示：


7