步-测仪的设计说明书--本科毕业设计.doc
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1、目 录引言31 设备选型41.1 设计方案比较41.2 系统结构设定41.3 步测仪系统元器件选择52 总体设计原理图62.1 步测仪模块电路图及说明62.2 基站模块电路图及说明73 各主要元器件模块设计93.1 单片机ATMEGA16介绍93.1.1 概述93.1.2 ATMEGA16产品特性93.1.3 外设特点103.1.4 ATMEGA16引脚功能123.2 无线收发模块NRF905设计143.2.1 模块外观14 3.2.2 模块简介143.2.3 基本特点143.2.4 应用领域153.2.5 硬件原理说明153.2.6 通过AVR单片机软件控制原理163.2.7 模块原理图19
2、3.2.8 与单片机硬件连接图203.3 三轴加速度传感器KXP74设计213.3.1 加速度传感器简介213.3.2 步伐参数设定223.3.3 软件编程流程图253.3.4 距离参数设定263.3.5 卡路里(能量)参数设定273.3.6 硬件连接图283.4 LCD12864液晶显示模块设计293.4.1 液晶显示模块概述293.4.2 基本特性293.4.3 外形尺寸303.4.4 接口时序303.4.5 硬件连接图324 软件设计334.1 主程序流程图334.2 采样及处理程序流程图345 实验结论34谢辞 35参考文献 36引言 计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器,可以激励
3、人们挑战自己,增强体质,帮身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐,并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时,可以听到有一个金属球来回滑动,或者一个摆锤左右摆动敲击挡块,随着科技的发展,数字化已经来临,我们设计的这款步测仪完全自主运行,不需要人工操作,只需要用户佩戴符合步测仪的要求,其余的事情他可以自主运行,他不仅可以测量用户所走的步数,还可以根据用户的步数从而可以测量出用户所走的距离,还可根据所走的距离与时间来计算用户这段时间所消耗的能量,从而让用户更加直观的了解自己的生体状况,来帮助人们了解自己身体从而达到改善自己身体状况的功能。下面我们将从设备选型与比较、设备的总体规划,以及各个重要元器件的
4、原理介绍和如何实现其在步测仪中的功能做详细介绍。 1、设备选型1.1 设计方案比较 实际的步测仪,根据计算路程的实现方法,可以分为两种:一是利用GPS模块来计算路程;二是利用加速度传感器来计算路程。采用以上两种方式的设计方案及其比较如表:方案编号路程设计数据传输方式方案评估 1GPS模块有线方式精度高,数据传输短,程序设计复杂,成本高。2加速度传感器无限方式数据传输距离较远,程序设计简单,成本低。加速度传感器ATMEGA16无线收发芯片(1)SPISPI 通过上述方案设计性能评估可知,采用GPS模块的系统成本较高,而且程序设计复杂度高。而采用加速度传感器的系统,虽然在计算精度上比第一种方案低一
5、些,但其成本低,程序设计简单,通过适当的算法处理,精度也能提高许多,可以满足设计的要求。1.2 系统结构设定 设计设想:我们根据加速度传感器传输出的SPI信号,这些信号是由用户的动作产生步测信号,信号传输到AVR单片机里面,经过单片机的信号处理,输出到无线收发模块(1),以上是单片机步测仪模块工作原理,其设计结构图如下所示: 由无线收发模块(1)发出的信号,无线收发模块(2)接收(1)所发的信号,这些信号传输到另一个单片机做进一步处理,单片机处理的数据转换成串行芯片和12864能接受的信号,从而能够显示人们能够看到的测量数据,其设计结构图如下图所示串行芯片(USB)、LED12864ATMEG
6、A16无线收发模块(2)SPISPI1.2.3 元器件选择通过上述对整体结构的研究我们得到了其元器件的选择情况如下图所示器件编号器件名称型号基本参数1单片机ATMEGA1664KBflash.2KB EEPROM,系统最大频率10MHZ.4KB SRAM2加速度传感器KXP74数字spi接口.低功耗,高性能3无线收发模块AT86RF230104db链路运算,-101db的接收灵敏度和3db的传输功率4液晶显示模块LCD12864128*64个液晶显示2 总体设计原理电路图 根据上面我们对整体结构的设计设想,我们可以知道我们设计的电路主要分为两个主要部分,他们分别是步测仪模块和基站模块,通过他们
7、的精确通信才能保证整个电路实现我们无线步测这一满足用户的要求的功能。2.1 步测仪模块电路如图54321以上各部分电路说明如下:1:ATMEGA16模块其最小系统和与和各个元器件的引脚使用情况。2:与加速度传感器连接引脚使用情况和外部电路连接图3:三轴加速度传感器和ATMEGA16引脚连接和其最小工作系统 4:nrf905无线收发模块引脚连接电路图5:电源部分电路图2.2 基站模块电路图如下54 321基站模块电路图说明如下:1:nrf905引脚连接电路图2:lcd12864液晶显示模块连接电路图3:ATMEGA16引脚使用情况和最小系统设计4:电源电路设计5:串行接口电路通过上述说我们对无线
8、步测仪的硬件连接系统有了一个出不得了解,下面我们将逐步介绍每个主要元器件的硬件使用使用和如何进行软件实现做详细说明。3 各主要元器件模块设计3.1 Atmega16介绍 3.1.1 概述 AVR单片机采用哈弗总线型结构,程序存储器和数据十分开的,微处理器直接访问全部程序存储器和数据存储器。 ATMEL公司将高密度、非易失性存储技术运用在了AVR单片机上,使得AVR单片机都具有ISP的功能,即使在程序运行时,也可以对系统进行重新编程。 ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问
9、两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512 字节EEPROM,1K 字节SRAM,32 个通用I/O 口线,32 个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG 接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,C、SPI 端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异
10、步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态; ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作,以降低ADC 转换时的开关噪声; Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具,包括:C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。 3.1.2 ATmega16产品特性 高性能、低功耗的8位AVR微处理器 先进的RISC 结
11、构 131条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16MHz时性能高达16MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程Flash,擦写寿命: 10,000次 具有独立锁定位的可选Boot代码区,通过片上Boot程序实现系统内编程,真正的同时读写操作 512 字节的EEPROM,擦写寿命: 100,000次 1K字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口
12、实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 3.1.3 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10位ADC,8个单端通道,2个具有可编程增益(1x, 10x, 或200x)的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC振荡器 片内/片外中断源 l 6种睡眠模式: 空闲模式
13、、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式 u I/O和封装 32个可编程的I/O口 40引脚PDIP封装, 44引脚TQFP封装, 与44引脚MLF封装 u 工作电压: l ATmega16L:2.7 - 5.5V l ATmega16:4.5 - 5.5V u 速度等级l 8MHz ATmega16L l 0-16MHz ATmega16 u ATmega16L在1MHz, 3V, 25C时的功耗 l 正常模式: 1.1 mA l 空闲模式: 0.35 mA l 掉电模式: 1 A 3.1.4 ATmega16 引脚功能 引脚名称引脚功能说
14、明VCC 电源正GND 电源地端口A(PA7.PA0)端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口,具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具ATmega引脚图2有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口A 处于高阻状态。 端口B(PB7.PB0)端口B 为8 位双向I/O 口,具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口B
15、 处于高阻状态。 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 为8 位双向I/O 口,具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能,即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。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 为8 位双向I/O 口,具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸
16、收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能. RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2反向振荡放大器的输出端。 AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时,该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。 AREFA/D 的模拟基准输入引脚 3.2
17、 无线收发模块NRF905设计3.2.1 模块外观3.2.2 模块简介: NRF905无线收发模块(PTR8000+),在Nordic VLSI公司最新封装改版nRF905基础上优化设计,体积更小,距离更远,同时抗干扰性强,通信稳定,特别适用于工业控制领域,是目前最主流的无线RF收发方案3.2.3 基本特点:(1) 433Mhz 开放 ISM 频段免许可证使用(2) 接收发送功能合一,收发完成中断标志(3) 170个频道,可满足多点通讯和跳频通讯需求,实现组网通讯,TDMA-CDMA-FDMA(4) 内置硬件8/16位CRC校验,开发更简单,数据传输可靠稳定(5) 工作电压1.9-3.6V,低
18、功耗,待机模式仅2.5uA (6) 接收灵敏度达-100dBm(7) 收发模式切换时间 650us(8) 每次最多可发送接收32字节,并可软件设置发送/接收缓冲区大小2/4/8/16/32字节(9) 模块可软件设地址,只有收到本机地址时才会输出数据(提供中断指示),可直接接各种单片机使用,软件编程非常方便(10) 最大发射功率10毫瓦,发射模式:最大电流30mA;接收模式:电流12.2mA(11) 内置SPI接口,也可通过I/O口模拟SPI实现。最高SPI时钟可达10M(12) 尺寸小巧,不含天线32mm*19mm;标准 DIP 间距接口,便于嵌入式应用(13) 发射速率5 0 Kbps,外置
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