智能運動手環(huán)系統(tǒng)緒論課題背景及意義人們的物質生活水平隨著社會的不斷發(fā)展而越來越高，與此同時，對于健康問題重視程度也越來越高[]。智能運動手環(huán)作為一種實時檢測設備，能夠幫助人們測量行走的步數、溫度、心率等身體指標，人們可以利用這些數據制定各自健身方案，并分析人體的身體健康狀況。因此，便攜的智能運動手環(huán)完全適應市場需要，具有很大的設計研發(fā)價值。智能運動手環(huán)是一種日常鍛煉進度監(jiān)測設備，它使用簡單，方便攜帶且實時性好，受到越來越多人的歡迎。智能運動手環(huán)是由一個簡單的計步器發(fā)展形成的，計步器利用機械開關檢測步數，通過附帶的計數器記錄測得的數據。它的組成部分有傳感器和電子計數器。振蕩器在上下振動平衡被破壞時，利用平衡錘使觸點出現通斷動作，再通過電子計數器記錄該通斷的次數。計步器一般采用加速度計來感受外界的震動。常用的加速度計主要由塑料管、磁鐵和纏繞管外中的線圈構成。運用慣性原理，當塑料管運動時，磁鐵將在塑料管中進行反向運動，產生感應電流。由于人體運動時的加速度曲線與線圈輸出的感應電流波形都為正弦函數[]，所以可以通過輸出波形頻率來計算行走的步數。心率是指心臟每分鐘跳動的次數。心率的大小能夠很直觀地反映人體中可能存在的健康問題。正常人運動，興奮，飲酒后，人的心跳過快（成人心率大于100或嬰幼兒大于150），當然這種情況也有可能是發(fā)熱、休克，貧血，甲亢、心力衰竭等消極因素引起的。心跳過慢（心率低于60）的情況出現長時間重體力勞動的人或運動員中，或者顱內高壓、甲狀腺功能低下、藥物中毒等病理性原因導致的。因此，基于心率檢測功能的智能手環(huán)系統(tǒng)對于人類健康問題的發(fā)現有很重大的意義基于此原因，本設計決定研發(fā)一款具有心率、步數檢測和體溫檢測的智能運動手環(huán)。國內外的研究狀況智能手環(huán)主要是為了記錄人體的運動情況和健康監(jiān)測而設計的，早在20世紀80年代，日本就已推出了首款智能手環(huán)。2011年JawboneUP一代問世，初步奠定了智能運動手環(huán)的發(fā)展方向，其最大的亮點即是睡眠監(jiān)測的功能。隨著電子信息技術的發(fā)展，經過成熟的市場化過程，單純提供運動、睡眠監(jiān)測功能已不滿足市場需求。所以現在國內外的智能運動手環(huán)系統(tǒng)的研發(fā)已經不僅僅是滿足于對運動數據的監(jiān)測，而更加注重于社交，信息娛樂以及數據同步、數據分析等功能。例如具有代表性的兩個公司樂心的Mambo5和華為的3Pro目前開發(fā)產品的主要功能是在設置好的一系列規(guī)則下，系統(tǒng)可以進行移動支付、信息提醒和AI心率監(jiān)測。智能運動手環(huán)將朝著更完善的方向發(fā)展，并更加廣泛地應用于人們的生活中，甚至應用于商業(yè)領域。研究內容在實現人體運動計步、溫度、心率檢測的功能的基礎上，通過優(yōu)化系統(tǒng)的整體結構設計出一款高精度、低功耗、穩(wěn)定度好的智能運動手環(huán)，主要內容如下：第一章緒論主要闡述了本課題的設計背景、國內外的研究現狀及研究意義，并簡述了本論文的的結構。第二章智能運動手環(huán)系統(tǒng)方案設計主要介紹了智能運動手環(huán)單片機控制模塊、傳感器、顯示器各模塊的設計方案選擇。第三章智能運動手環(huán)硬件電路設計主要介紹智能運動手環(huán)系統(tǒng)功能分析及結構設計及器件的使用。第四章智能運動手環(huán)軟件系統(tǒng)設計主要介紹了智能運動手環(huán)系統(tǒng)軟件設計流程，程序開發(fā)工具，軟件調試及程序燒錄方法第五章智能運動手環(huán)系統(tǒng)焊接與調試主要介紹智能運動手環(huán)系統(tǒng)硬件電路的焊接和軟硬件調試。第六章總結智能運動手環(huán)設計總結智能運動手環(huán)方案的設計智能運動手環(huán)系統(tǒng)組成本設計的智能運動手環(huán)系統(tǒng)主要由單片機控制電路、計步模塊、心率傳感電路、溫度傳感器模塊、顯示模塊、藍牙傳送模塊等六個部分組成。智能運動手環(huán)系統(tǒng)架構圖圖2.1系統(tǒng)架構圖系統(tǒng)設計基本要求1、在滿足心率、體溫、步數監(jiān)測功能的基礎上，設計一款高精度、低功耗、低成本的的智能運動手環(huán)系統(tǒng)。2、系統(tǒng)實時性好，測得的心率、步數能夠在顯示模塊實時且準確地顯示3、系統(tǒng)設置按鍵開關，控制系統(tǒng)的開啟關閉，實現系統(tǒng)數據的清零功能。4、系統(tǒng)藍牙模塊穩(wěn)定性好，與手機連接后，能夠實時將數據傳送至手機。5、系統(tǒng)體積小，質量輕，穩(wěn)定性好，操作簡單。各模塊核心器件的選擇單片機的選型方案一MSP430單片機芯片是一種超低功耗的混合信號控制器（MixedSignalProcessor）[]。它是美國TI公司針對實際應用需求而推出的一款微處理器。由于MSP430具有單片混合處理能力，因此支持將多個模擬電路和微處理器集成到單個芯片上。MSP430F14穩(wěn)定性好，容易擴展且價格較低，因而被人們廣泛用儀器儀表的制作。方案二采用可編程邏輯器件CPLD作為核心控制器，能實現多種復雜的功能。CPLD由于采用的是并行的輸入輸出方式，運行速度相較于其他兩種方案大大提高。另外，它還有體積、穩(wěn)定性、擴展性等方面具有優(yōu)良的表現。但由于它的價格偏高因此更適用于大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。本系統(tǒng)功能簡單，對數據處理速度要求不高，考慮到性價比問題，故不采用此方案。方案三由意法半導體ST公司研發(fā)制造的STM32系列處理器作為一種基于ARM7架構的32位微控制器。它具有先進架構的Cortex-M3內核[]，使得芯片有著相當優(yōu)良的實時性能，并支持實時仿真功能。由于極低功率消耗，高集成，易開發(fā)特點，以STM32單片機為核心控制器適合于大多數系統(tǒng)的控制處理器，應用廣泛。由于智能運動手環(huán)對實時性的要求較高，且STM32單片機具有低功耗、易開發(fā)的特點，因此本設計采用STM32作為控制芯片。顯示電路模塊的選擇方案一LED數碼管采用動態(tài)的掃描的方法,常用于動態(tài)數字的,與單片機連接時,顯示數據的多少取決于占用的單片機出線數，電路簡單，性價比高。由于本設計需顯示的數據較多，而數碼管占用的出線數少，不符合設計要求，不使用此方案。方案二點陣式數碼管是由一個八行八列的發(fā)光二極管矩陣組成，適用于文字顯示。[]若采用其顯示數字,成本偏高,因此不將這種數碼管作為顯示器。方案三LCD1602液晶顯示器最大的優(yōu)點便是可以用來顯示大量數據、文字甚至圖形，并且清晰度高[]。此外，液晶顯示器與其他數碼管相比，編程難度較低，性能好。綜上所述，LCD1602液晶顯示器以其超高的性價比被選為本系統(tǒng)的核心器件。傾角傳感器的選擇方案一陀螺儀是一種角運動檢測裝置。它的工作原理是利用動量矩敏感殼體繞相對慣性空間與自轉軸正交。[]當動量矩敏感殼體高速回轉時，即可檢測運動者的位置信息。它的特點是精度高，穩(wěn)定性好，但控制復雜。方案二由ADI公司研發(fā)的重力加速度傳感器ADXL345也可用作與前種方案相同的功能，其突出的特點是在價格低的同時實現更多的功能，并且易受單片機的控制[]。故選擇方案二。心率傳感模塊的選擇方案一采用紅外模塊被用作心率信號的采集，它的抗干擾性能好，因此輸出的的信號波形較穩(wěn)定，將是一種較理想的選擇。方案二采用壓力傳感器作為心率檢測模塊來采集心率信號。由于它輸出的電信號較弱，難于通過該電信號測出心率的的大小，抗外界干擾能力差[]，選擇該壓力傳感器將增加系統(tǒng)的實現難度?？偨YSTM32和MSP430都是低價格、低功耗的微處理器，但STM32不論是在整形運算還是浮點運算方面都比MSP430的運算處理能力要強。因此，本設計選擇STM32F103C8T6單片機作為核心控制模塊，利用性價比高的ADXL345作為步數檢測電路的核心元件。此外采用抗干擾能力強的紅外光模塊檢測心率，由于LCD1602體積小，顯示字符數多，因而作為本系統(tǒng)液晶顯示模塊。硬件電路的設計系統(tǒng)功能分析智能運動手環(huán)系統(tǒng)主要分為五大模塊，各模塊功能如下表表3-1模塊功能表模塊功能STM32單片機最小電路核心控制功能ADXL345檢測電路檢測并計算人的運動步數心率傳感器電路實時心率檢測溫度傳感電路體溫檢測LCD1602顯示電路顯示功能藍牙傳送模塊實時傳送數據至手機系統(tǒng)總體框圖圖3.1系統(tǒng)原理框圖單片機核心控制模塊核心控制模塊STM32單片機是一種基于AR7架構的32位的微處理器，它具有實時性好，功耗低的特點。此外STM32系列單片機有著豐富的接口，便于系統(tǒng)設計系統(tǒng)時功能擴展，可容納多個外圍擴展電路，對于同平臺上多項目功能的開發(fā)來說，是最佳選擇。全系列單片機對外設結構、軟件具有高度的兼容性，大大提高了系統(tǒng)設計的靈活性。在不改變原始框圖或程序軟件的情況下，既可以將應用升級到需要更多存儲空間，也可精簡到使用更小的存儲空間[]。STM32F103C8T6單片機核心板原理圖如圖3.2圖3.2STM32單片機原理圖單片機外圍電路穩(wěn)壓電路系統(tǒng)穩(wěn)壓電路如圖3.3所示，AMS117-3.3是一種穩(wěn)壓器，可將電源中輸入的5V電壓調至3.3V。SW1為開關，開關閉合時與電源插座DC連接，給電路通電，EC1與C1為輸入濾波電容，保證電路中的電壓不會發(fā)生突變，達到緩沖電壓的效果。EC2為旁路電容，使穩(wěn)壓器輸出均勻，降低負載。圖3.3穩(wěn)壓電路原理圖晶體振蕩器晶振是一種常用的控制元件，是單片機控制指令執(zhí)行的的基礎，為本系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。晶振提供的的時鐘頻率的大小在一定程度影響著單片機的運行速度[]。圖3.4為一個基本的晶振電路，C7和C8為負載電容，兩電容接地與晶振兩引腳相連構成并聯諧振回路，用于保證電路的持續(xù)振蕩。圖3.4晶體振蕩電路圖單片機核心電路圖圖3.5單片機核心電路圖STM32單片機實物圖如下圖圖3.6STM32單片機實物圖各功能模塊電路設計LCD1602顯示模塊電路設計本設計采用LCD1602顯示測得的數據。與普通數碼管顯示器件不同的是，LCD1602體積小、功耗低。利用單片機即可驅動其工作，不需要額外加驅動電路。因此，LCD1602液晶顯示器是現代單片機應用系統(tǒng)中使用最多的的顯示器件之一。LCD1602液晶顯示器支持顯示2行共16個字符[]。一、LCD1602主要參數如下：正常工作電壓范圍為4.5～5.5V，其中最佳工作電壓為5.0V；當工作電流為5.0V時，工作電流為2.0mA。LCD1602共有14個引腳，其接口的各引腳說明如表3-2：表3-2接口引腳功能表引腳序號狀態(tài)/功能說明第1腳VSS接地。第2腳VDD接+5v電源。第3腳V0為液晶顯示器對比度調整第4腳RS為寄存器選擇，RS=1，數據寄存器；RS=0,指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號電平，高電平進行讀操作，低電平為寫操作。RS=0,RW=0,寫入指令或顯示地址；RS=0，RW=1讀取忙信號；RS=1，RW=0，寫入數據第6腳E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳D0～D7為8位雙向數據線。第15～16腳空腳系統(tǒng)通過LCD1602作為顯示檢測到的數據。利用電位器調節(jié)液晶顯示對比度。其具體電路原理圖如圖3.7所示。圖3.7LCD1602液晶顯示電路原理圖LCD1602液晶顯示器實物圖如下圖3.8LCD1602液晶顯示器實物圖ADXL345傾角傳感器模塊電路設計ADXL345是一款低功耗的重力加速度計，分辨率高，支持最大16位二進制數據輸出。利用S過PI(3線或4線)或I2C進行的數字接口訪問，適用于移動運用設備[]。它既可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，又能檢測運動過程中加速度值。此外，利用ADXL345還能檢測其他的功能，比如如檢測用戶的運動狀態(tài)，檢測器件是否正在發(fā)生自由落體運動等等。將這些檢測功能獨立映射到輸出引腳中，并將檢測到的數據存儲到集成式存儲中，大大降低了系統(tǒng)的功耗。ADXL345工作原理ADXL345主要前端感應器件，感應轉換器，模數轉換器構成。首先通過前端感應器件測量人體的重力加速度值，然后借助感應轉換器將該加速度值轉換成一個有效的電信號。最后利用A/D轉換器將該電信號轉換為16位的二進制補碼。實際運用中，若要得到準確的運動數據，則必須使用濾波器來抑制噪聲。一般將電子濾波器嵌入至三軸加速度計中，并使用數字濾波器對輸出信號進行運算和處理，從而達到降噪效果，使得輸出數據達到系統(tǒng)的設計要求。輸出信號經數字濾波后，在控制中斷邏輯控制作用下，通過串口讀取數據。傳感器控制命令是通過串口的讀寫命令獲取的，用于寄存器的操作控制。ADXL345模塊接口圖如下圖圖3.9ADXL345模塊接口圖ADXL345模塊電路圖如下圖。圖中U2為分壓芯片，將5V直流電降低為為3.3V直流電，C1-C4為濾波電容。電阻R1是用來防止電路中電流過大燒壞電源指示燈D1，起限流作用。R2和R3都為上拉電阻，作用也相同，都是使輸入信號更穩(wěn)定。ADXL345模塊內部電路圖如圖3.10圖3.10ADXL345模塊電路圖ADXL345模塊實物圖如下圖圖3.11ADXL345模塊實物脈搏心率傳感器模塊電路設計本系統(tǒng)中使用的心率傳感器是一款具有信號放大和噪聲消除功能的光學心率傳感器。其利用的原理為光照射在人的肌肉、骨骼等組織對光的反射作用固定的，而毛細血管、動脈對光的放射值會隨著脈搏容積的變化呈一定規(guī)律波動，這個波動值便是光反射值。光電傳感器一側發(fā)光二極管發(fā)光，透過指尖的光強度也將變化。另一側光電三極管將接收到的光信號轉化為電信號，并通過STM32將采集到的心率信息控制在顯示模塊顯示[]。脈搏心率傳感器的使用一、接口說明1腳輸出接口（0和1）2腳接VCC(+5V)3腳接GND脈搏心率傳感器模塊接口原理圖如下圖圖3.12脈搏心率傳感器模塊接口原理圖脈搏心率傳感器模塊實物圖如下圖圖3.13脈搏心率傳感器模塊實物圖通過示波器檢測脈搏心率傳感器的輸出端，得出的波形圖如下圖所示圖3.14心率脈搏傳感器輸出信號波形由此可見，波形并不是標準的方波信號，為了便于單片機信號的穩(wěn)定檢測。，需要采用LM393比較器對波形濾波，使傳感器輸出信號為標準方波信號，更利于單片機采集通LM393比較器模塊濾波后的波形圖如下圖。圖3.15經比較器濾波后輸出的波形圖脈搏心率傳感器模塊濾波的電路原理圖如下圖圖3.16心率檢測電路原理圖LM393比較器模塊內部原理圖如下圖所示。利用R1電阻接入將5V電源進行分壓，然后將脈搏信號接入至LM393比較器，與LM393芯片2號引腳分壓后的模擬電壓進行比較，得到方波信號。C1、C2電容分別對電源或模擬信號濾波，保證信號更穩(wěn)定地輸出[]。R2、R3均為限流電阻，防止LED燈因功率過大燒壞。R4為上拉電阻，將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，并起限流作用。這樣能保證比較器輸出信號與單片機引腳連接時的電平信號更易讀取[]。LM393比較器模塊內部電路圖圖3.17LM393比較器模塊內部電路圖LM393比較器模塊實物圖如下圖圖3.18LM393比較器模塊實物圖溫度傳感器模塊電路設計DS18B20是一種精度高，抗干擾性能好的數字溫度傳感器。DS18B20體積小，使用簡單，因此經常用于各種小設備測溫系統(tǒng)的制作，非常適合用作本系統(tǒng)的溫度傳感模塊。DS18B20的主要特點：1、測溫范圍大（－55℃～+120℃），測溫誤差（±1℃）至多可支持8點測溫。2、單線接口方式，要實現與單片機雙向通信，只需要借助一條接口線。DS18B20溫度傳感器實物圖如下：圖3.19溫度傳感器實物圖DS18B20原理圖如下圖3.20DS18B20溫度傳感器原理圖藍牙傳送模塊本設計采用JDY-30藍牙模塊作為藍牙模塊。JDY-30具有體積小，價格低，功耗低的特點，適用于用作本系統(tǒng)的無線通信模塊[]。JDY-30藍牙透傳模塊的工作電壓為2.2V~4.2V,最佳工作電壓為3.3V,.工作頻段為2.4GHZ。與單片機系統(tǒng)連接后，模塊內指示燈閃爍，保持常亮狀態(tài)。數據傳輸進入高速透傳模式，傳輸速率可達每秒8k以上。JDY-30藍牙模塊原理圖圖3.21JDY-30藍牙模塊原理圖藍牙模塊電路原理圖圖3.22藍牙模塊電路圖JDY-30藍牙模塊實物圖圖3.23JDY-30

系統(tǒng)軟件設計一個完整的系統(tǒng)分為硬件和軟件系統(tǒng)兩部分。第三章主要介紹了硬件系統(tǒng)各功能模塊電路的設計原理。若要使系統(tǒng)滿足我們設計要求，不僅僅需要準確合理的硬件電路，更需要對軟件控制程序進行編寫。本設計采用STM32F103C8T6芯片為控制核心，KeiluVision5byARM軟件作為程序編寫調試工具，程序燒錄則使用的是PL2303下載器。編程語言選擇由于整個控制程序比較復雜，計算量大且浮點數多，所以本系統(tǒng)采用C語言進行軟件編程。與匯編語言不同的是，C語言編程不需要事先了解處理器的指令集、存儲器結構或地址甚至不用考慮數據類型，即能實現對系統(tǒng)的控制作用。這使得軟件的編程難度大大降低，與此同時，程序的開發(fā)調試時間也明顯縮短[]。編程的設計思路與人的思維相近，提高了程序的可讀性，大大降低了維護難度。此外C語言的通用性好，幾乎適用于各種目標系統(tǒng)。單片機程序開發(fā)環(huán)境本設計采用由ARM公司研發(fā)的的KeiluVision5作為開發(fā)工具。作為集ARM處理器的編譯和調試等功能于一體的編程軟件，KeiluVision5支持C/C++語言開發(fā)[]，編輯效率高，是目前主流的嵌入式開發(fā)工具。ARM軟件開發(fā)流程打開KeiluVision5后，首先建立“Project”工程：點擊菜單中“Project”，然后選擇“NewuVisionProject”，并將命名好的工程保存；然后選擇開發(fā)單片機芯片的型號STM32F103C8T6，即完成了“Project”的建立。KeiluVision5軟件開發(fā)流程圖圖4.2KeiluVision5軟件開發(fā)流程圖程序燒錄軟件介紹FlyMcu是一款stm32燒錄程序軟件，以其優(yōu)良的性能被廣泛用于電路編程(ICP)和應用編程(IAP)領域。在程序燒錄前，首先要將PL2303串口燒寫模塊、設備和PC連接好，具體具體操作步驟如下：1、打開FlyMcu后切換至STMISPtab界面，然后選中USB轉串口COMPORT。2、選擇對應的HEX文件3、設置燒寫方式4、最后點擊開始編程。PL2303串口程序燒寫模塊PL2303是一種高兼容性的接口轉換器，支持大多數操作系統(tǒng)上實現模擬COM串口到USB接口的轉換。解決了筆記本電腦對STM單片機的程序燒寫問題。此外本下載器功耗低，、價格低，常作為STM系列單片機的燒寫工具。串口燒寫模塊如下圖 圖4.4PL2303串口燒寫模塊一、PL2303串口燒寫模塊引腳接線說明如表4-1表4-1PL2303串口引腳說明引腳編號接線說明1接+5V輸出，如果電路板有外接5供電，則此引腳可不接。2接+5V3接單片機的RXD引腳。4接單片機的RXD引腳。5接+3.3V輸出，若電路板有外接3.3V供電，則此引腳可不接二、PL2303串口燒寫模塊與單片機的具體接線圖圖4.5PL2303串口燒寫模塊與單片機接線圖程序流程圖本設計采用KeiluVision5作為編寫調試軟件，程序采用可讀性、維護性好的C語言編寫。系統(tǒng)運行流程如圖4.6。圖4.6系統(tǒng)運行流程圖系統(tǒng)焊接與調試電路焊接手工焊接一種常見的焊接方法，當焊接過程出現問題時，就會影響整個控制系統(tǒng)，正確的焊接方法對系統(tǒng)功能的順利實現非常重要。手工焊接主要分為三步：首先把需要焊接的地方打理干凈并檢查系統(tǒng)需要的元件是否齊全或損壞。然后進行焊接工作，注意烙鐵溫度不宜過高，加熱時間不宜過長，以免洞洞板被燒壞。最后檢查焊板，觀察焊板是否有虛焊。系統(tǒng)調試接電調試之前，觀察電路板是否存在焊接問題，例如電路中正負極反接、虛焊等問題。然后使用接電觀察，若有問題，則使用檢測哪段電路是出現問題。保證系統(tǒng)不存在焊接問題。然后對軟件程序進行測試，如果軟件程序正確，連接5V電源后，驗證智能運動手環(huán)系統(tǒng)功能是否達到設計預期的要求。如果功能出現問題，則需要繼續(xù)程序進行調試。圖5.1系統(tǒng)調試圖系統(tǒng)程序軟件調試步驟如下：1、新建工程：首先使用KeiluVision5新建工程，取一個工程名并保存，然后選擇單片機型號“STM32”[]。2、新建程序源文件：在新建的空白文本編寫程序的源代碼，編輯完成后，保存文件并加文件拓展名“設計名.c”。3、程序編譯與調試：程序編寫完成后，單擊編譯按鈕，系統(tǒng)運行該文件。查看輸出提示信息，如有錯誤，可根據窗口提示改正錯誤程序。硬件調試對硬件整體進行調試，采用萬用表、直流電源對焊接好的電路板進行整體調試，檢查每個功能模塊進行