基于51单片机步数检测计步器无线蓝牙APP上传设计

基于51单片机步数检测计步器无线蓝牙APP上传设计

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1. 系统功能概述

本设计是一款基于STC89C52单片机的智能计步器系统，通过ADXL345加速度传感器采集人体运动状态，实现步数、路程、卡路里计算与显示，同时将数据通过蓝牙模块实时上传到手机APP端。该系统采用LCD1602液晶屏显示运动数据，并通过呼吸灯动态显示运动节奏，既具有实用性，又具备良好的交互体验。

系统整体采用模块化设计，分为主控单元、加速度检测单元、蓝牙通信单元、液晶显示单元、呼吸灯指示单元以及电源管理单元。通过软硬件结合，实现了人体运动状态的智能检测与无线传输，能够识别站立（Stand）、躺卧（Lie）、走路（Walk）、奔跑（Run）等多种状态，并准确统计运动步数、计算行走距离和能量消耗。

该系统具有以下主要功能：

1. 步数检测功能：利用ADXL345加速度传感器检测人体运动加速度变化，实现步数的精准计数。
2. 运动状态识别：通过加速度幅值与方向判断当前运动状态（Stand、Lie、Walk、Run）。
3. LCD实时显示：LCD1602液晶显示步数、路程、卡路里及运动状态等信息。
4. 蓝牙数据上传：通过蓝牙模块将实时运动数据以字符串格式上传到手机APP，实现远程监测。
5. 呼吸灯动态指示：LED呼吸灯根据运动强度和步频变化，动态显示运动状态，提升交互性。
6. 低功耗设计：在无运动状态下自动进入低功耗模式，延长电池寿命。

系统上传的数据格式如下：

*B:0005J:02.3mK:0131.04calWalk #
*B:0006J:02.7mK:0157.25calStand#

其中：

• B 表示步数；
• J 表示路程（米）；
• K 表示卡路里（cal）；
• 最后的英文单词 表示运动状态。

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2. 系统电路设计

系统硬件电路包括六个主要部分：

1. STM89C52单片机最小系统
2. ADXL345三轴加速度传感器模块
3. LCD1602液晶显示模块
4. 蓝牙无线通信模块
5. 呼吸灯LED电路
6. 电源模块

以下分别进行详细介绍。

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2.1 STC89C52单片机最小系统

STC89C52单片机作为系统的核心控制单元，负责采集ADXL345传感器数据、分析运动状态、计算步数与卡路里、显示LCD信息以及蓝牙数据上传。

主要特性：

• 内部时钟频率高达12MHz；
• 具有丰富的I/O口资源，可同时连接多模块；
• 支持UART串口通信，用于蓝牙数据传输；
• 低功耗模式适用于便携式设备；
• 内部定时器用于步数采样与时间计算。

主要连接关系：

• I²C总线连接ADXL345（SCL与SDA）；
• LCD1602使用并行接口连接P0口；
• 蓝牙模块通过UART（TXD、RXD）连接P3.0、P3.1；
• LED呼吸灯连接P2口的PWM输出端；
• 电源输入端提供+5V电压，经稳压电路转为3.3V。

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2.2 ADXL345加速度传感器电路

ADXL345是一款低功耗、三轴数字加速度传感器，可测量静态加速度（重力）与动态加速度（运动或震动）。

主要技术参数：

• 测量范围：±16g；
• 通信接口：I²C或SPI；
• 分辨率：13位；
• 低功耗待机电流：0.1μA；

工作原理 ：

人体运动时，ADXL345会检测到不同方向的加速度变化，单片机通过定时采样获取三轴加速度值，并通过滤波算法分析周期性波动。每当加速度信号超过阈值时，系统判断为一次有效步伐，从而实现步数检测。

电气连接：

• VCC → 3.3V；
• GND → GND；
• SDA → P2.1；
• SCL → P2.0。

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2.3 LCD1602液晶显示电路

LCD1602模块用于实时显示运动数据，包括步数（B）、距离（J）、卡路里（K）以及运动状态。LCD1602具有价格低廉、字符显示清晰、编程简单等优点。

主要特点：

• 16列×2行字符显示；
• 工作电压5V；
• 数据接口可选择4位或8位模式；
• 带背光控制端。

系统使用8位并行方式，数据端连接P0口，控制端RS、RW、EN连接P2.5、P2.6、P2.7。程序中通过LCD初始化函数、清屏函数、显示字符串函数实现显示控制。

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2.4 蓝牙通信电路

系统采用常用的HC-05蓝牙模块进行无线通信，通过UART接口与单片机连接。模块通过AT命令配置通信波特率（默认9600bps），实现与手机APP的数据交互。

主要功能：

• 接收单片机发送的运动数据；
• 通过串口蓝牙助手或自定义APP显示实时步数、距离与状态；
• 支持实时数据刷新与保存。

连接方式：

• VCC → 5V；
• GND → GND；
• TXD → P3.0（RXD）；
• RXD → P3.1（TXD）。

蓝牙数据传输格式采用字符串方式，方便APP端直接解析。例如：

*B:0014J:7.7mK:448.45calWalk #

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2.5 呼吸灯电路

呼吸灯采用PWM调光电路，通过单片机定时器输出可变占空比PWM信号，实现LED灯亮度缓慢变化的呼吸效果。

功能说明：

• 当运动状态为Walk或Run时，LED以动态节奏闪烁；
• 当处于Stand或Lie状态时，LED保持常亮或熄灭；
• 可通过PWM周期调节闪烁速度与亮度幅度。

LED呼吸灯不仅提升了系统美观度，还可作为运动节奏的视觉提示。

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2.6 电源电路

系统电源采用5V供电，可使用锂电池或USB供电方式。电路中加入AMS1117-3.3稳压芯片为ADXL345与蓝牙模块提供3.3V电压，同时使用电解电容与陶瓷电容进行滤波，确保信号稳定。

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3. 系统程序设计

系统程序采用模块化设计，包括主程序模块、传感器数据采集模块、步数计算模块、运动状态判断模块、LCD显示模块、蓝牙通信模块以及呼吸灯控制模块。

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3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、定时采样与循环控制。核心逻辑为"采集 → 计算 → 显示 → 上传"。

#include <reg52.h>
#include "iic.h"
#include "adxl345.h"
#include "lcd1602.h"
#include "bluetooth.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"

unsigned int step_count = 0;
float distance = 0;
float calorie = 0;
char state[10];

void main(void)
{
    LCD_Init();
    IIC_Init();
    ADXL345_Init();
    Bluetooth_Init();
    LED_Init();

    while(1)
    {
        ADXL345_ReadXYZ();
        if(CheckStep())  
        {
            step_count++;
            distance = step_count * 0.45;
            calorie = step_count * 0.08;
            JudgeState();
            DisplayData(step_count, distance, calorie, state);
            Bluetooth_SendData(step_count, distance, calorie, state);
        }
        LED_BreathEffect(state);
        Delay_ms(500);
    }
}

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3.2 ADXL345传感器采集程序

void ADXL345_ReadXYZ(void)
{
    int16_t x, y, z;
    x = IIC_Read16(ADXL345_ADDR, DATAX0);
    y = IIC_Read16(ADXL345_ADDR, DATAY0);
    z = IIC_Read16(ADXL345_ADDR, DATAZ0);

    // 计算加速度幅值
    acc_value = sqrt(x*x + y*y + z*z);

    // 过滤噪声
    if(acc_value > THRESHOLD)
        step_flag = 1;
    else
        step_flag = 0;
}

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3.3 步数检测算法

步数检测采用阈值法与时间间隔过滤法结合。

bit CheckStep(void)
{
    static unsigned long last_time = 0;
    if(step_flag == 1 && (millis() - last_time) > 300)
    {
        last_time = millis();
        return 1;
    }
    return 0;
}

该算法能有效避免抖动误判与多次计步。

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3.4 运动状态判断模块

根据加速度幅值与方向判断运动类型。

void JudgeState(void)
{
    if(acc_value < 100) strcpy(state, "Lie");
    else if(acc_value < 300) strcpy(state, "Stand");
    else if(acc_value < 600) strcpy(state, "Walk");
    else strcpy(state, "Run");
}

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3.5 LCD显示模块

void DisplayData(unsigned int step, float dist, float cal, char *st)
{
    LCD_Clear();
    LCD_ShowString(0, 0, "B:");
    LCD_ShowNum(2, 0, step, 4);
    LCD_ShowString(8, 0, "J:");
    LCD_ShowFloat(10, 0, dist, 2);
    LCD_ShowString(0, 1, "K:");
    LCD_ShowFloat(2, 1, cal, 2);
    LCD_ShowString(10, 1, st);
}

LCD1602通过清晰的字符界面实时显示用户的运动情况。

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3.6 蓝牙通信模块

void Bluetooth_SendData(unsigned int step, float dist, float cal, char *st)
{
    char buffer[50];
    sprintf(buffer, "*B:%04dJ:%.1fmK:%.2fcal%s #", step, dist, cal, st);
    UART_SendString(buffer);
}

此函数格式化运动数据为字符串并通过蓝牙发送。手机端APP收到后即可实时显示。

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3.7 呼吸灯控制程序

void LED_BreathEffect(char *st)
{
    if(strcmp(st, "Walk") == 0)
        LED_PWM(50);  // 中等亮度
    else if(strcmp(st, "Run") == 0)
        LED_PWM(90);  // 高亮快闪
    else if(strcmp(st, "Stand") == 0)
        LED_PWM(20);  // 微亮
    else
        LED_PWM(0);   // 熄灭
}

LED灯的亮度变化节奏与运动状态同步，提升了系统的交互效果。

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4. 系统运行与效果说明

系统上电后，LCD1602显示初始界面，蓝牙模块自动连接手机。用户佩戴设备开始运动时，ADXL345检测到加速度波动，单片机分析后开始累计步数。LCD显示实时更新的步数、路程和卡路里，同时通过HC-05将数据上传至手机APP，用户可在手机端实时查看运动统计。

当用户停止运动时，LED呼吸灯亮度减弱或熄灭，表示系统进入待机状态。系统通过判断运动强度可识别出"躺卧""站立""走路""奔跑"等状态，并动态调整显示内容与灯光效果，实现了智能化、交互式的运动监测体验。

该系统不仅具备良好的实时性和准确性，而且具有可扩展性，可进一步加入心率传感器、GPS定位模块，实现更为全面的运动健康监测功能。