基于STM32的运动信息检测装置设计与实现

第一章 系统设计背景与需求分析

随着全民健身意识提升，运动数据的精准监测成为科学健身与健康管理的核心需求。传统运动检测设备如计步器，多依赖单一加速度传感器，存在参数片面、精度不足（步数误差常超10%）、功能固化等问题，难以满足跑步、骑行、爬楼等多场景运动分析需求。

STM32单片机凭借高性能处理能力、丰富的传感器接口及低功耗特性，为运动信息检测提供了理想的主控平台。本系统设计需实现三大核心需求：一是多维度采集运动参数，涵盖步数、实时加速度（三维）、角速度（三维）、运动距离及卡路里消耗，满足多样化运动场景；二是具备本地数据存储与实时显示功能，支持连续8小时以上运动记录；三是低功耗设计，采用锂电池供电，单次充电续航≥12小时。此外，系统需兼顾便携性与成本，适合日常运动佩戴或设备集成，为用户提供科学的运动数据支持。

第二章 系统硬件电路设计

系统硬件以STM32L051C8T6单片机为核心（低功耗型号），按功能划分为传感采集、数据存储、显示及电源四大模块，电路设计注重小型化与能耗控制。

传感采集模块选用MPU6050六轴传感器，集成3轴加速度计（量程±16g）与3轴陀螺仪（量程±2000°/s），通过I2C接口与STM32连接，采样率设为100Hz，可同步输出加速度与角速度原始数据，满足运动动态监测需求；增设BMP280气压传感器（I2C接口），通过海拔变化计算爬楼高度，测量精度±0.12hPa。

数据存储模块采用4MB SPI Flash芯片（W25Q32），用于离线存储运动数据（按时间戳记录，每笔数据含12字节参数），支持连续存储≥10万条记录。显示模块选用0.96英寸OLED屏（I2C接口），实时显示当前步数、速度、卡路里等关键参数，屏幕亮度可调节以降低功耗。电源模块采用3.7V 500mAh锂电池，经TP4056充电管理芯片与LDO（TC1185-3.3V）稳压后为系统供电，支持低功耗模式（待机电流≤5μA）。

第三章 系统软件程序设计

系统软件基于Keil MDK开发环境，采用C语言模块化编写，分为初始化、数据采集处理、存储显示及低功耗管理四大模块，通过中断与定时器协同工作。

初始化模块上电后优先执行，完成STM32外设配置：I2C接口初始化（配置MPU6050、BMP280通信参数）、SPI初始化（Flash存储配置）、OLED初始化（显示参数设置）及定时器初始化（定时器2设置10ms定时中断，触发数据采集）。

数据采集处理模块在定时中断中启动，读取MPU6050的加速度与角速度数据，采用卡尔曼滤波算法融合数据，剔除运动抖动干扰；通过加速度阈值法（垂直方向加速度＞1.2g判定为一步）计算步数，结合步长估算模型（步长=0.415×身高÷100×步数系数）得出运动距离；卡路里消耗通过公式（卡路里=体重kg×距离km×0.9）估算。BMP280数据用于计算累计爬楼高度（每3米海拔差计1层）。

存储显示模块每30秒将处理后的数据写入SPI Flash，同时在OLED屏分区域刷新显示（顶部步数，中部速度与距离，底部卡路里与爬楼层数）。低功耗管理模块在静置10秒后触发休眠模式，关闭传感器与屏幕供电，仅保留定时器唤醒功能，降低待机能耗。主程序采用“采集-处理-存储-显示”循环模式，单次循环耗时≤5ms，确保数据实时性。

第四章 系统测试与性能分析

为验证系统性能，选取3名测试者（身高165-180cm，体重55-75kg）在室内跑步机（速度5-10km/h）、户外跑步、爬楼（5层）场景下测试，对比专业运动手表（精度±5%）评估参数准确性，记录续航时间与稳定性。

测试结果显示，步数检测误差≤3%，运动距离误差≤5%，爬楼计数准确率100%；在8小时连续运动测试中，数据记录完整无丢失，OLED显示稳定；锂电池在正常模式下续航达14小时，休眠模式下待机时间＞72小时。

连续运行72小时后，STM32无死机现象，传感器数据无漂移，SPI Flash存储可靠。综合来看，系统硬件成本约80元，具备参数全面、精度达标、续航持久的特点，适用于日常运动监测场景，通过扩展蓝牙模块可实现与手机APP的数据同步，进一步提升实用性。





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