毕业论文 健身计步器的设计 - 图文

毕业论文

健身计步器的设计

The Design of Fitness Pedometer

摘 要

改革开放三十年来，随着社会的不断进步，人们的生活水平也不断的提高了，许多人把健身当做每天的一门必修的功课，在诸多的健身方法中，跑步便成了他们最有效，最简单的运动方法，计步器也成了计量跑步时间、步数和消耗卡路里的最简易、有效的工具。 健身计步器的工作工程大致如下，首先传感器将外界的信号转换成具有一定振幅的波形，经过调理电路将波形过滤并且放大，再经过斯密特触发器进行整形，这时输出的波形便是具有可以用来计数的脉冲信号，将其输入由四个十进制组成的计数显示器，在数码管中便可以显示最大为9999的步数。同时将施密特触发器输出的波形用两个五进制连接成的二十五进制的分频器然后再接入计数器，便可以显示健身过程中所消耗的卡路里数。

在我的设计中，我将整个系统划分为若干个功能模块，传感器接受震荡反映产生波形模块、调理整形模块、计算步数模块、计算卡路里模块、1000步提醒模块、1kHz频率产生模块、分频模块和分钟显示模块等组成。每个功能块还对应的相关的电路图，而且还详细的说明了电路图的组成元件，和各个元件的名称、功能、和运行原理，各个部件在此路中的作用，怎么实现所须的功能，合考虑了各方面的因素，选择最适合的器件。在较充分的原理和仿真实验的基础上，经过反复的调试与修改，最终达到了设计要求。

关键词：计数器；译码器；555定时器

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Abstract

Thirty years of reform and opening up, with the constant progress of the society, people's living standard has been improved, many people consider fitness as every one of the compulsory courses, in many fitness method, running as their most effective, the most simple method, pedometer also became the running time, measurement step number and calories burned the most simple, effective tool.

Fitness pedometer work works roughly as follows, first sensors will be outside the signal conversion into a certain amplitude of the waveform, through the conditioning circuit waveform is filtered and amplified, and then after Schmidt trigger shaper, the output waveform is a can be used to count the pulse signal, the input consists of four decimal composition counting display, in the digital tube can display a maximum of 9999steps. At the same time, Schmidt trigger output waveform with a two base five are connected into twenty-five decimal frequency divider and then access the counter, can display a fitness process consumed calories.

In my thesis, I put the whole system is divided into several functional modules, sensors receive tremors reflected waveforms generated modules, conditioning shaping module, module calculation step number, calorie counting module,1000 step prompting module,1kHz frequency generating module, frequency module and minute display module. Each of the functional blocks are corresponding to the circuit, but also a detailed description of the circuit components, and each component name, function, and operation principle of each part of this road, in effect, how to realize the required function, and considering all factors, choose the most suitable device. In the full theory simulation and experiment based on, after repeated debugging and modification, finally achieved the design requirements.

Key words: counter; decoder; 555timer

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目 录

引 论 ....................................................................................................................... 1 1 主要元器件介绍 ................................................................................................... 3

1.1 74LS161D计数器 ............................................................................................................. 3 1.2 计数器74LS90 ................................................................................................................. 4 1.3 LM555CM介绍 ................................................................................................................. 5 1.4 译码驱动及显示电路 ....................................................................................................... 8 1.5 Multisim仿真软件概述 .................................................................................................... 8

2 总体设计 ............................................................................................................... 9

2.1 设计思路 ........................................................................................................................... 9 2.2 设计方框图 ....................................................................................................................... 9

3 具体设计 ............................................................................................................. 11

3.1 信号处理电路 ................................................................................................................. 11 3.2 多谐振荡电路 ................................................................................................................. 12 3.3 分频电路 ......................................................................................................................... 12 3.4 计时电路 ......................................................................................................................... 14 3.5 9999步计数电路 ............................................................................................................. 14 3.6 能量卡路里计数电路 ..................................................................................................... 15 3.7 提醒电路的实现 ............................................................................................................. 16 3.8 发挥部分 ......................................................................................................................... 17 3.9 计数电路 ......................................................................................................................... 18

4 工作过程分析 ..................................................................................................... 20 结 语 ..................................................................................................................... 21 主要参考文献 ......................................................................................................... 22

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引 论

健身计步器是一种即简单又有效的锻炼方法.它不但可以准确的记录跑的步数,还可以控制自己的速度。这样就可以计算出步数,通过步数和步幅可计算行走的路程，,高级的计步器还可以计算人体消耗的热量。所以本课题的设计有着深远意义，尤其是对那些老年人以及一些待复健康的病人来说是一个非常好的辅助医疗设备.

本次设计让我们初步的了解到如何将平时所学到的知识运用到实践当中去,让我们体会到其实生活中的许多科技产品就是用我们所学的知识通过综合运用整合出来的。此次实验在一定程度上锻炼了同学们的实际动手能力和解决实际问题的能力，为我们今后的学习和工作奠定了基础。

健身计步器主要由振动传感器和电子计数器组成。 人在步行时重心都要有一点上下移动。以腰部的上下位移最为明显，所以记步器挂在腰带上最为适宜。 所谓的振动传感器其实就是一个平衡锤在上下振动时平衡被破坏使一个触点能出现通/断动作，由电子计数器记录并显示就完成了主要功能，其他的热量消耗，路程换算均由电路完成。

现在市场上跨国品牌主要有：美国acumen（安康盟），日本casio（卡西欧），日本欧姆龙品牌等。而国产知名品牌有Green Forest/绿森林（武汉产）多功能计步器和康超力牌计步器（广东产）。大家可以根据自己的喜好和计步器本身的功能来进行选择。一般来讲，除卡西欧的部分型号外，跨国品牌计步器均在我国寻找OEM厂家代工生产。日系品牌的设计也一般外包给国内的公司进行。所以，从一般意义上讲，各品牌家用计步器的质量差别是微乎其微的。

另外，价格对于选购者来讲也是一个很大的因素。不同计步器因其功能不同、设计不同而有不同的价格。例如在中部六省市场跨国品牌中销量最大的日本欧姆龙计步器，单功能型号的价格在78—128元区间内，多功能的型号更是达到了168—398元。而中部六省市场国产品牌中销量最大的绿森林计步器多功能型号的价格也仅为78—98元。由此见得，如果是一般家用的计步器，在质量感觉相差不大的时候，国产品牌是有相当大的优势的。但是，总体来说国内品牌的品牌力较弱，铺货渠道不充分，成为制约其发展的最大障碍之一。据国内医疗器械行业调查机构统计，在华北市场和华东市场，国内计步器的市场占有率尚不及跨国品牌的70%。这一方面有消费者对于国产品牌得不信任感作祟，另一方面是大品牌的渠道优势。例如欧姆龙和卡西欧在绝大多数一二线城市，甚至包括一些三线城市的商场、药店拥有专柜。而国产品牌里仅有绿森林、康超力在部分一二线城市的商场、药店拥有专柜。

第一部分是计数部分，将震动由传感器变为的脉冲信号整形后输入计数器通过译码器译码最后经显示器分别显示出卡路里和及跑（走）的步数。然后在卡路里电路部分通过门电路设计一个预置数，当达到预置数时与其连接的发光器件会有发光提示；计步电路中

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形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的VT+和VT-设置得合适，均能受到满意的整形效果。经过调理电路和施密特触发器电路处理的信号便较规整可以用于计数了。

3.2 多谐振荡电路

用555定时器构成的多谐振荡器，产生计时部分的时钟脉冲。如电路6.2图所示，由555时基、定时电阻、定时电容构成多谐振荡器电路，接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2\\3Vcc时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2和T放电，Vc下降 。当Vc下降到1\\3Vcc时，Vo翻转为高电平。电容C放电所需的时间为

tpl=R2Cln2=0.7R2C

当电容放点结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2想电容C充电，Vc由1\\3Vcc上升到2\\3Vcc所需的时间为

tpH=(R1+R2)ln2=0.7(R1+R2)C

当Vc上升到2\\3Vcc时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图，其振荡频率为

t=1\\(tpl+tpH)=1.43\\(R1+2R2)C

这里我要产生一个1000Hz的频率，参数计算后可以得出两电阻R=4.81 k?,两电阻C=100nF,如图6.2所示振荡电路，它产生的频率是992.13 Hz,能达到我的设计要求。

图3.2多谐振荡电路

3.3 分频电路

由于之前多谐振荡器产生f=1000HZ的脉冲，要使它变为分脉冲，则要经过两次分频，

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第一次使用由74LS90连接的三级十分频电路，十分频计数器逢十进一，用第一级的进位脉冲作为第二级的时钟脉冲信号，第二级的进位信号作为第三级的时钟脉冲信号。这样从第三级的进位脉冲输出的就是1Hz的时钟计时脉冲，如图3.3为千分频电路。下一级由六十分频器由两片74LS90组成，第一片实现六分频，第二片实现十分频，用第一级的进位脉冲作为第二级的脉冲信号，这样就得到了分脉冲如图3.4为六十分频电路。

图3.3千分频电路

图3.4六十分频电路

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3.4 计时电路

通过多谐振荡电路与千分频电路和六十分频电路可以得出计时电路，多谐振荡电路产

生1000Hz的脉冲，经过千分频电路输出1Hz的脉冲，已知1Hz为一秒一脉冲信号，所以可以作为秒脉冲信号。千分频电路后接一个六进制74LS90N芯片，这样组成秒钟计时电路，当达到六十秒时，给分计时电路一个进位信号，分计时电路开始计时。这样就可以达到计时的效果。如图3.5为计时电路

图3.5计时电路

3.5 9999步计数电路

图3.6所示为健身计步器的计步部分，每当脉冲上升沿到来的时候，计步部分的计数器从零开始计数，由于我用的示74LS161D计数器，它原本是一个十六进制的计数器，我将其改接成十禁止的计数器，具体方法是加增加与非门，使之实现同步十进制计数。当地十个CP脉冲上升沿到达时，输出为1010过一个与非门译码后，反馈给置数端一个清零信号，立即使QD、QC、QB、QA返回到0000的状态，从新开始新的计数，开始新的计数周期，这样就跳过了1011-1111状态，使计数器清0重新计数构成了十进制的同步计数器，计数器的计数顺序时从右向左，依次纪录个位，十位，百位，千位，最多可以纪录跑的9999，扩展部分可以在计数器的输出端接非门，我们要求每跑1000步就会有提示音提示，这样可以在输出为QA端接一个非门，每当QA端输出信号，即跑到1000步时，“1”从QA端

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输出，通过非门后转化为了“0”，将信号传给声音提示系统实现提醒，声音提醒系统将在下面论述。

图3.6计步器计数电路

3.6 能量卡路里计数电路

图3.5是计算体能消耗的一个换算电路，人每走25步消耗1卡路里的能量，所以在接受到的脉冲做25分频电路，这样一来再计数，就是健身者的卡路里的消耗量；这个分频是利用74LS161D来实现的，把每一个74LS161D都连接成五进制，其方法是在输出0101时将信号到处与非接回置零端和下一个计数器的进位端，由于置零端和下一个进位都是下降沿，这里也要用到与非门；将二十五分频输出接端，接入由74LS90D组成的十进制计数器，便可以实现功能，计数器的接法与计步的相同，只不过最大值是999，计步数和计体能消耗是一个脉冲信号源输入的所以，二者应该是关联的。

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图3.7能量卡路里计数电路图

3.7 提醒电路的实现

图3.6中所示的是利用555接成的单稳态触发器与555结成的多谐振荡电路以及发声片所组成的计步提醒装置，这里有两个不同的555组成的装置。

图3.8发声电路

3.7.1 单稳态触发器设计及参数计算

图3.6左侧的555是一个单稳态触发器，它采用电阻、电容组成RC定时电路，用于调节输出信号的脉冲宽度TW。其工作原理如下：

（1）稳态（触发前）：Vi为高电平时，TRI=1，输出OUT为低电平，放电管T导通，

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/69hh.html