一、     设计目的：
随着社会的发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们也越来越关注自己的健康。智能健康检测仪由计步器和脉搏测量仪两部分组成。计步器作为一种测量仪器，可以计算行走的步数和消耗的能量，所以人们可以定量的制定运动方案来健身，并根据运行情况来分析人体的健康状况；脉搏测量仪在我们的日常生活中已经得到了非常广泛的应用,通过观测脉搏信号，可以对人体的健康进行检查。我们此次设计的多功能脉搏检测与无线计步器将计步功能和脉搏测量功能结合在了一起，同时记录运动量和脉搏情况，并能够根据运动者的脉搏健康情况随时提醒运动者调整自己的运动量；显示结果可以在一定的距离范围内通过无线呈现出来，更加具有实用性。
二、     当前国内外发展研究
计步器是通过统计步数、距离、速度、时间等数据，测算卡路里或热量消耗，用以掌控运动量的一种工具。电子计步器主要由震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，以腰部的上下移动最为明显，所以计步器挂在腰带上最为适宜。
 电子计步器核心就是震动传感器，一般根据传感器的形式可以分为2D计步器和3D计步器。
老一代的2D震动传感器也成为机械式计步器，所记录的数据误差偏大，价格便宜。当前市面上主流为3D式电子计步器，意味着全方位感受人体震动，使用更为先进的电子传感器，计步更精准，体积更小。一些高级的3D计步器还带有：秒表、收音机、手电筒等功能。
近年来，在欧美日，电子计步器这种“教练式”健康步行管理工具非常受欢迎，每天行走时带上电子计步器，它不仅能精确显示行走时的步数和时间，还能实时掌握步行中卡路里消耗量以及燃烧脂肪量，让步行者更为精确地走掉脂肪、走掉各种潜在的健康风险，有效掌控步行效果，让健康管理更有信心，更为轻松。
斯坦福大学的德娜-布拉瓦特博士分析了来自美国、加拿大、日本、澳大利亚以及欧洲等地的计步器实验结果，发现在接近3000人的研究样本中，计步器使用者运动量平均提高了27%，体重普遍下降。同时，他们的血压也降至正常范围，突发心脏病和中风的危险显著降低。
三、基本思路：
本设计是一个基于STC89C52低速单片机，结合ADXL345倾角传感器来实现计步，通过无线模块传输给主机。运用了基于51单片机的的计数设计，以51单片机为核心，加速度传感器ADXL345采集信号，LCD1602显示步数。该设计中有2个板子，一个信号采集发射机，非常小巧。适合放在身上。所测的数据通过无线的形式传给主机，当计步完成后，还可以通过主机上面的脉搏检测来计算运动者的心跳是否正常，当每分钟心跳超过正常范围时还会进行报警提醒注意休息。
三、     技术关键：
1.通过ADXL345电容式三轴传感器更准确地捕获人体运动信号；
2.信号处理过程中采用自适应算法实现计步功能；
3.光电传感器捕获人体脉搏信号。
四、     创新点：
1.计步器功能在实现上与传统的机械式传感器不同，ADXL345是电容式三轴传感器，由它捕获人体运动时加速度信号，更加准确。信号通过低通滤波器滤波，由单片机内置A／D转换器对信号进行采样、A／D转换。软件采用自适应算法实现计步功能，减少误计数，更加精确。单片机STC89C52控制液晶显示计步状态。整机工作电流只有1-1.5mA，实现超低功耗。
2.脉搏测量仪的结果与计步器结果同步进行，并利用计步器结果实时计算出运动者的心率，当测量的范围超过设定的范围则驱动蜂鸣器报警提醒，结果最终可以把采集到的脉搏信号显示在LCD1602上。

五、    系统的硬件设计：

1.   微处理器电路模块：

     STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
    具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
STC89C52RC单片机参数
⑴8K字节程序存储空间；
⑵512字节数据存储空间；
⑶内带2K字节EEPROM存储空间；
⑷可直接使用串口下载；
2.      计步器传感器采集模块：
ADXL345的内部功能结构如图2所示，X、Y、Z三个相互正交的的方向上的加速度由 G-Cell传感器感知，经过容压变换器、增益放大、滤波器和温度补偿后以电压信号输出。

ADXL345内部结构功能框图
所谓的G-Cell传感器是由半导体材料(多晶硅)经半导体工艺加工得到，其结构可简化为三块电容极板，如图3。两端的极板圈定，中间的极板在加速度的作用下，偏离无加速度的位置，这样它到两端极板的距离发生变化，造成电容值的变化．这个变化值经容压变换、增益放大，滤波等后体现在最后的电压输出值上，从而完成对加速度的测量。

G-Cell传感器的物理模型
ADXL345的三个相互正交的测量方向如下图，固定在人体上后，这三个方向上的数据意义也就随之确定了。
 

ADXL345的三测量轴向
引脚配置(顶视图)如下：

引脚功能图
ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。
 如下图所示为传感器底座，接口电路连接：

传感器连接模块
此模块电路主要功能就用于做ADXL345加速度传感器的一个转接口，而且利用ADXL345该加速度传感器产生相应的变化值。相当于整个系统的信号产生模块。
3.   信号采集电路设计：
此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足计数器的要求。选择电路：所选放大整形电路框图如下图所示。

放大整形电路框图
传感器简介
传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如下图所示。

传感器信号调节原理电路
如上图所示，红外管VD采用ST188。用+5V电源供电，R3取330Ω，R4取20kΩ,当人把手指放在发光二极管和光电二极管之间的时候，光电二极管接收到的信号会随人脉搏强度的变化而变化。
滤波电路

放大滤波电路
如上图所示为脉搏计的放大滤波信号，由于脉搏信号输出的信号十分微弱，一般在uV级别，除此外输出的信号一般会伴随很大的噪声干扰，因此在这里用LM358搭建起一个放大和滤波电路。
放大整形电路
经过放大滤波后的脉搏信号仍是不规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如下图所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了LM358，除此外LM358还接上了一个LED用作指示脉搏跳动的状态。

 
4.   无线收发模块：
nRF24L01概述　
　　nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
　　nRF24L01主要特性如下：
　　GFSK调制：
　　硬件集成OSI链路层;
　　具有自动应答和自动再发射功能;
　　片内自动生成报头和CRC校验码;
　　数据传输率为l Mb/s或2Mb/s;
　　SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s;
　　125个频道；
　　与其他nRF24系列射频器件相兼容;
　　QFN20引脚4 mm×4 mm封装;
供电电压为1.9 V～3.6 V。
引脚功能及描述
nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。各引脚功能如下：

nRF24L01封装图
CE：使能发射或接收;
　　CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：
　　IRQ：中断标志位；
　　VDD：电源输入端；
　　VSS：电源地；
　　XC2，XC1：晶体振荡器引脚;
　　VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V；
　　ANT1,ANT2：天线接口；
IREF：参考电流输入。
工作模式
通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表所示。
 

模式	PWR_UP	PRIM_RX	CE	FIFO寄存器状态
接收模式	1	1	1	-
发射模式	1	0	1	数据在TX FIFO 寄存器中
发射模式	1	0	1→0	停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式2	1	0	1	TX FIFO 为空
待机模式1	1	-	0	无数据传输
掉电	0	-	-	-

 
　　待机模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；
　　待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式；
　　待机模式下，所有配置字仍然保留。
在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。
工作原理
　　发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。
　　接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。
在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。
nRF24L01应用原理框图
 

 
5.  显示模块
液晶显示器(LCD)为平面超薄的显示设备，液晶显示器功耗很低，适用于使用电池的电子设备.它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。
LCD特点：机身薄，节省空间。与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。
省电，不产生高温。它属于低耗电产品，可以做到完全不发热(主要耗电和发热部分存在于背光灯管或LED)，而CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温。
低辐射，益健康。液晶显示器的辐射远低于CRT显示器（仅仅是低，并不是完全没有辐射，电子产品多多少少都有辐射）。
画面柔和不伤眼，不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。

 
LCD16021602采用标准的16脚接口
第1脚：GND为电源地
第2脚：VCC接5V电源正极
第3脚：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（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。
第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳
变时执行指令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。
第15脚背光正极.
第16脚背光负极。特性3.3V或5V工作电压，对比度可调
液晶显示器(LCD)为平面超薄的显示设备，液晶显示器功耗很低，适用于使用电池的电子设备.它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。
LCD特点：机身薄，节省空间。与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。
省电，不产生高温。它属于低耗电产品，可以做到完全不发热(主要耗电和发热部分存在于背光灯管或LED)，而CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温。
低辐射，益健康。液晶显示器的辐射远低于CRT显示器（仅仅是低，并不是完全没有辐射，电子产品多多少少都有辐射）。
画面柔和不伤眼，不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。

 
LCD16021602采用标准的16脚接口
第1脚：GND为电源地
第2脚：VCC接5V电源正极
第3脚：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（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。
第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳
变时执行指令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电
源。
第15脚背光正极.
第16脚背光负极。特性3.3V或5V工作电压，对比度可调。
六、     使用说明：
该设计中有2个板子，一个信号采集发射机，非常小巧。适合放在身上。 所测的数据通过无线的形式传给主机，当记步完成后，还可以通过主机上面的脉搏检测来计算人的心跳是否正常，当每分钟心跳超过120次还会进行报警提醒注意休息。
七、   技术特点及优势：
本款计步器使用了ADXL345电容式三轴传感器捕获人体运动信号并采用自适应算法处理信号，大幅度的提高了计步的精度和准度，在此基础上将信号传输到主机上并通过主机上面的脉搏检测来计算人的心跳是否正常。本设计具有低成本、低功耗、精确度高、稳定性好、实时性好以及操作简单等优势。