1. Назначение и технические характеристики

Шагоме́р — механическое, электронно-механическое либо электронное устройство для подсчёта количества сделанных шагов (или пар шагов) при ходьбе или беге. Нередко функция шагомера вводится в другие портативные устройства, такие как часы, музыкальные плееры и мобильные телефоны.

Первоначально использовавшийся спортсменами и энтузиастами физических упражнений, шагомер сейчас стал более популярен. Закреплённый на поясном ремне и носимый весь день, он позволяет измерить пройденное расстояние (количество шагов × длина шага).

Большинство шагомеров определяют факт совершения шага по отрицательному ускорению тела человека в момент соприкосновения ступни с землёй, которое фиксируется датчиком-акселерометром. В механическом шагомере движущийся по инерции грузик преодолевает сопротивление пружины и посредством зубчатой или иной передачи проворачивает ось механического счётчика на одно деление. В электронных шагомерах электромеханический датчик преобразует встряхивание в электрический импульс, увеличивающий показания электронного счётчика; современные модели используют двух- или трёхосевые акселерометры, а встроенные в них микропроцессоры применяют достаточно сложные алгоритмы для исключения ложных срабатываний в ходе выполнения повседневных действий (например, завязывания шнурков).

Менее распространены шагомеры, использующие закрепляемый на подошве обуви контактный датчик, срабатывающий от нажатия. Поскольку датчик обычно закрепляется только на одной ноге, такие шагомеры считают пары шагов.

Точность шагомеров сильно зависит от их модели. Большая часть шагомеров правильно считает размеренные шаги пешехода, если только укрепить их в правильном положении в определённом месте (обычно на поясном ремне). Если шагомером пользоваться неправильно, его точность катастрофически падает. Большинство шагомеров (если их не отключить) продолжают считать, когда их пользователь едет в транспорте. Ошибка накапливается, если у пользователя не сидячая работа. Точность сильно зависит от особенностей походки конкретного человека.

Даже у производителей современных шагомеров с акселерометрами нет единого определения «правильного шага» и показания приборов разных фирм всё равно различаются. Положение усугубляется тем, что современные пользователи ожидают, что показания будут правильны вне зависимости от того, соблюдают ли они инструкции по креплению прибора или нет^[3].

Шагомеры, как и велосипедные путевые приборы, разрабатывались радиолюбителями и раньше, до наступления эры микроконтроллеров. Это были простые устройства с минимумом возможностей, собранные на цифровых микросхемах средней степени интеграции, по существу — счетчики импульсов с выводом результата на семиэлементные индикаторы. Применение микроконтроллера позволило значительно расширить функциональные возможности прибора.

Предлагаемый вашему вниманию шагомер не только считает число пройденных шагов, но и измеряет пройденное расстояние и скорость движения на выбранных участках дистанции. Прибор закрепляют на поясном ремне, при движении он ведет счет шагов, сопровождая каждый из них звуковым сигналом. Имеется возможность оперативно изменять хранящееся в энергонезависимой памяти микроконтроллера значение длины шага, используемое для перевода числа шагов в пройденное расстояние. При необходимости информация о пройденном пути и скорости движения также сохраняется в энергонезависимой памяти и может быть вызвана на экран индикатора.

Прибор собран в имеющемся в продаже корпусе ВОХ-МЗЗС с необходимыми доработками. Результаты измерения выводятся на многоразрядный светодиодный цифровой индикатор, установленный на верхней панели корпуса, а на передней размещены кнопки управления режимами работы. Питается шагомер от гальванической или аккумуляторной батареи напряжением 9 В. Он потребляет 12мА в режиме счета шагов и 100 мА при включенном индикаторе.

"Мозг" прибора — микроконтроллер ATtiny2313-10PI с загруженной в него программой. Его тактовая частота - 4,096 МГц^[4].

2. Описание работы устройства

2.1 Структурная схема устройства

Динамик

Преобразователь

Микроконтроллер

Дешифратор

Кнопки

Индикатор

Датчик

Источник питания

2.2 Принципиальная схема устройства

Схема шагомера показана на рис. 2.1. Он собран на отечественных и импортных электронных компонентах. "Мозг" прибора — микроконтроллер ATtiny2313-10PI (DD2) с загруженной в него программой. Его тактовую частоту 4,096 МГц задает кварцевый резонатор ZQ1. Цепь VD1C5R7R8 в момент включения питания тумблером SA1 формирует импульс, устанавливающий микроконтроллер в исходное состояние.

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема шагомера

2.3 Элементная база устройства

Микроконтроллер ATtiny 2313.

ATtiny2313 - низкопотребляющий 8 битный КМОП микроконтроллер с AVR RISC архитектурой. Выполняя команды за один цикл, ATtiny2313 достигает производительности 1 MIPS при частоте задающего генератора 1 МГц, что позволяет разработчику оптимизировать отношение потребления к производительности.

AVR ядро объединяет богатую систему команд и 32 рабочих регистра общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. В результате эта архитектура позволяет обеспечить в десятки раз большую производительность, чем стандартная CISC архитектура.

ATtiny2313 имеет следующие характеристики: 2 КБ программируемой в системе Flash память программы, 128 байтную EEPROM память данных, 128 байтное SRAM (статическое ОЗУ), 18 линий ввода - вывода общего применения, 32 рабочих регистра общего назначения, однопроводный интерфейс для встроенного отладчика, два гибких таймера/счетчика со схемами сравнения, внутренние и внешние источники прерывания, последовательный программируемый USART, универсальный последовательный интерфейс с детектором стартового условия, программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором и три программно инициализируемых режима пониженного потребления. В режиме Idle останавливается ядро, но ОЗУ, таймеры/счетчики и система прерываний продолжают функционировать. В режиме Power-down регистры сохраняют свое значение, но генератор останавливается, блокируя все функции прибора до следующего прерывания или аппаратного сброса. В Standby режиме задающий генератор работает, в то время как остальная часть прибора бездействует. Это позволяет очень быстро запустить микропроцессор, сохраняя при этом в режиме бездействия мощность.

Прибор изготовлен по высокоплотной энергонезависимой технологии изготовления памяти компании Atmel. Встроенная ISP Flash позволяет перепрограммировать память программы в системе через последовательный SPI интерфейс или обычным программатором энергонезависимой памяти. Объединив в одном кристалле 8- битное RISC ядро с самопрограммирующейся в системе Flash памятью, ATtiny2313 стал мощным микроконтроллером, который дает большую гибкость разработчика микропроцессорных систем.

ATtiny2313 поддерживается различными программными средствами и интегрированными средствами разработки, такими как компиляторы C, макроассемблеры, программные отладчики/симуляторы, внутрисхемные эмуляторы и ознакомительные наборы.

Специальные характеристики микроконтроллера: 

• Встроенный отладчик debugWIRE;

• Внутрисистемное программирование через SPI порт;

• Внешние и внутренние источники прерывания;

• Режимы пониженного потребления Idle, Power-down и Standby;

• Усовершенствованная схема формирования сброса при включении;

• Программируемая схема обнаружения кратковременных пропаданий питания;

• Встроенный откалиброванный генератор.

Порты ввода - вывода и корпусное исполнение:

• 18 программируемых линий ввода – вывода;

• 20 выводной PDIP, 20 выводной SOIC и 32 контактный MLF корпуса.

Диапазон напряжения питания: от 1.8 до 5.5 В.

Рабочая частота: 0 - 16 МГц.

Потребление в активном режиме:

• 300 мкА при частоте 1 МГц и напряжении питания 1.8 В;

• 20 мкА при частоте 32 кГц и напряжении питания 1.8 В.

Режим пониженного потребления:  0.5 мкА при напряжении питания 1.8 В^[5].

Преобразователь кода К514ИД1.

Преобразователи кодов служат для перевода одной формы числа в другую. Их входные и выходные переменные однозначно связаны между собой. Эту связь можно задать таблицами переключений или логическими функциями.

Характеристика К514ИД1^[6].

Входы:

"1" - 7; "2" - 1; "4" - 2; "8" - 6; "Г (Гашение)" - 4.

Выходы:

"A" - 13; "B" - 12; "C" - 11; "D" - 10; "E" - 9; "F" -15; "G" - 14.

Ток нагрузки у К514ИД1 - 7,5мА;

8 - земля, 16 - +Uпит (+5,25 В)

Дешифратор К555ИД10.

Дешифратор (декодер) — комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код в kⁿ -ичный одноединичный код, где k — основание системы счисления. Логический сигнал появляется на том выходе, порядковый номер которого соответствует двоичному, троичному или k-ичному коду.

Дешифраторы являются устройствами, выполняющими двоичные, троичные или k-ичные логические функции (операции).

Технические характеристики дешифратора К555ИД10 приведены в таблице^[7].

Таблица 2.1 - технические характеристики К555ИД10. Функциональность дешифратор Номинальное напряжение питания 5 Выходное напряжение низкого уровня 0.4 Выходное напряжение высокого уровня 2.7 Входной ток низкого уровня 0.4 Входной ток высокого уровня 0.02 Ток потребления, мА 11.5

Рисунок 2.2 – Внешний вид К555ИД10

Индикатор АЛС318А

Технические характеристики индикатора АЛС318А приведены в таблице^[8].

Таблица 2.2 - технические характеристики АЛС318А.

Материал	GaAsP/GaP
Цвет свечения	красный
Минимальная сила света Iv мин., мКд	0.95
при токе Iпр., мА	3
Количество сегментов	7
Количество разрядов	9
Схема включения.	Общ. катод
Высота знака, мм	2.5
Максимальное прямое напряжение, В	1.9
Максимальное обратное напряжение, В	5
Максимальный прямой ток, мА	5
Максимальный импульсный прямой ток, мА	40
Рабочая температура, С	-60…70

Рисунок 2.3 – Внешний вид индикатора АЛС318А

Интегральный стабилизатор МС7805СТ.

Технические характеристики интегрального стабилизатора МС7805СТ приведены в таблице^[9].

Таблица 2.3 - технические характеристики МС7805СТ .

Корпус	TO-220-3
Тип регулятора	Linear Regulator
Входное напряжение	7...25 В
Выходное напряжение	4.85...5.15 В
Внешняя регулировка выходного напряжения	FIX
Максимальный выходной ток	1.5 А
Ток собственного потребления	4.2 мА
Максимальное значение минимальной возможной разницы напряжений вход-выход	2 В
Рабочая температура	0...125 °C

Рисунок 2.4 – Внешний вид МС7805СТ

Датчик К1116КП4.

Технические характеристики датчика К1116КП4 приведены в таблице^[10].

Таблица 2.4 - технические характеристики К1116КП4.

Тип выходного сигнала	линейный
Тип чувствительного элемента	элемент Холла
Наличие встроенного магнита	нет
Время нарастания сигнала, мкс	1
Мин напряжение питания, В	6
Макс напряжение питания, В	12

Рисунок 2.5 – Внешний вид К1116КП4

Транзисторы.

КТ502Е. Технические характеристики приведены в таблице^[11].

Таблица 2.5 - технические характеристики  КТ502Е.

Марка транзистора: KT502E

Материал p-n-перехода: Si

Структура транзистора: pnp

Предельная постоянная рассеиваемая мощность коллектора (Pc) транзистора: 350mW

Предельное постоянное напряжение коллектор-база (Ucb): 80V

Предельное постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uce) транзистора: 80V

Предельное постоянное напряжение эмиттер-база (Ueb): 20V

Предельный постоянный ток коллектора транзистора (Ic max): 150mA

Предельная температура p-n перехода (Tj): 175В°C

Граничная частота коэффициента передачи тока (Ft) транзистора: 5MHz

Ёмкость коллекторного перехода (Cc), Пф: 50

Производитель: RUSSIA

КТ816А. Технические характеристики приведены в таблице^[12].

Таблица 2.6 - технические характеристики  КТ816А.

Структура	PNP
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В	-
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс),В	40
Макс. напр. к-э при заданном токе к и разомкнутой цепи б.(Uкэо макс),В	-
Максимально допустимый ток к ( Iк макс,А)	3
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	25
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр,МГц	3.00
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт)	25
Корпус	KT-27
Производитель	Россия

Диоды.

Технические характеристики диода КД522А приведены в таблице^[13].

Таблица 2.7 - технические характеристики  КД522А.

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение, В*:	30
Максимально допустимое импульсное повторяющееся обратное напряжение В*:	40
Максимально допустимый постоянный прямой ток, мА*:	100
Максимально допустимый импульсный прямой ток, А:	1,5
Максимальная рабочая частота, МГц*:	-
Время обратного восстановления, нс:	4
Емкость диода, пФ:	4
Постоянное прямое напряжение, В:	1,1
Постоянный обратный ток при Uобр=Uобр max, мкА*	2
Максимальная температура окружающей среды, °C:	85

Динамик НС0905А.

Технические характеристики диода динамика НС0905А приведены в таблице^[14].

Таблица 2.8 - технические характеристики НС0905А.

Производитель:	JL World Co., Ltd.
Тип излучателя	электромагнитный
Способ монтажа	выводной
Номинальное напряжение	5 В
Номинальный ток	80 мА
Номинальное сопротивление	40 Ом
Рабочая частота	3.2 кГц
Мощность излучения	85 дБ
Размер	11 x 9.5 x 5 мм
Рабочая температура	-20...60 °C
Температура хранения	-30...70 °C

Конденсаторы.

Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Резисторы.

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь), — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току проходящему через него . На практике же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики.