2022年可穿戴设备运动手表智能运动手表报告智能手表设计.docx

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1、精品学习资源电子设计大赛题目名称：可穿戴设备设计 运动手表队长姓名 :学 校： 联系电话： 通讯地址： 邮政编码：结题日期： 2021 年 9 月 2 日工程组成员：序号姓名性别年级专业学号摘 要本设计是一款智能运动手表，以微掌握器ATmega644PA为掌握核心，利用PCF8563 时钟芯片、三维加速度传感器、温度传感器、气压传感器采集运动数据，并使用OLED 显示屏实现显示时间功能、显示温度、气压、海拔高度功能、计步功能，结合蓝牙2.1 模块， 实现与安卓手机地通信功能；团队开发了一款安卓APP 与智能手表结合使用，智能手表可以将数据传送到安卓手机，通过APP 对数据进行2 次处理，实现运

2、动步数、卡路里消耗量、运动距离、运动时间、运动规律地记录与分析，能依据数据为使用者供应健康方面地建议 .欢迎下载精品学习资源一、任务制作具备肯定创新和实际应用综合功能地可穿戴软硬件电子系统（注：以软件开发为主地，需结合外部硬件平台实现特定系统功能）二、 系统功能分析我们地主题，打算我们地设计地系统地功能如下：1、显示时间、包括年份月份日期、星期以及实时时间；2、显示温度、气压、海拔高度；3、记录走路或者跑步步数并显示；4、将传感器数据传送到安卓手机；5、安卓手机软件接收数据，存入数据库，对历史数据进行储存；6、安卓手机软件分析数据，依据用户设定，运算出跑步距离，消耗卡路里 等，并储存数据，通过

3、分析历史数据，得出用户地运动状况，并能给用户跑步便利地建议 .7.记录睡觉时地数据，分析睡眠状况；8、手机短信提示、来电提示功能 .三、产品地对象我们地产品在设计上在保证原有地手表显示时间地基础之上，加上运动模块元素，可以对用户地运动数据采集，配套相应APP，可以实现对运动数据地分析处理 .适合广泛地喜爱运动地人群使用，以及广大地旅行爱好者使用.四、方案论证为了完成上面所涉及地各种功能，将整个电路分成三个部分：电源模块、主控模块、传感器模块、显示模块和蓝牙模块.框图如图 1 所示 .欢迎下载精品学习资源图 1 原理方框图考虑到我们地产品作为一款手表，要充分考虑到产品地体积问题，我们在各个模块地

4、 挑选上尽可能采纳小地部件.在实现传统手表地功能地基础上加入运动地元素，我们地手表支持运动地功能，就要考虑手表地有用性.在数据传输方面，我们采纳蓝牙传输方式，将运动过程中产生地各类数据通过蓝牙地方式传输到我们地移动终端，从而实现对运动数据地处理 .（1） 供电系统整个系统由 3.7V 锂电池供电，通过升压模块升到5.0V 给单片机以及其他模块使用. 在供电方面地挑选上，由于要考虑到手表地体积，我们采纳了体积较小地锂电池.由于采纳oled显示，而且仍支持手表与移动终端地通信，这样在能耗方面就比传统地手表要大得多，所以挑选可以多次充电地锂电池是抱负地挑选.锂电池与充放电电路具有爱护电路，保证了产品

5、地安全性 .选用地充电器接口为microusb 接口，能够与众多地电源设配器使用，增加了产品使用地普遍性.（2） 掌握方式地挑选方案一：采纳AT89C51 作为掌握器采纳 AT89C51 单片机进行掌握 .AT89C51 价格低廉，结构简洁，而且资料丰富；但是51 单片机系统资源有限， 8 位掌握器，运算才能有限，且没有内置AD/DA 转换器，需要外接大量外围电路，而且程序地编写相对复杂.方案二：采纳ATmega644PA作为掌握器采纳 ATmega644PA单片机进行掌握 .ATmega328 单片机具有强大功能地8 位微掌握器，它内部集成8 路 10为 ADC，可以直接用于传感器数据采集，

6、以及数字掌握输出；采纳欢迎下载精品学习资源ATmega644PA单片机，能将相当一部格外围器件结合到一起，使用便利，抗干扰性能提高.因此，我们选用方案二.（3） 开发环境地挑选方案一： AVRstdio 开发环境AVRstdio 是 ALMEL公司地一个免费集成开发环境，只支持汇编语言.方案二： Arduino 开发环境Arduino 是一块基于开放源代码地USB接口 Simple i/o 接口板并且具有使用类似Java,C语言地 IDE 集成开发环境 .Arduino 地理念是开源 .针对周边 I/O 设备地 Arduino 编程，许多常用地I/O设备都已经带库文件或者样例程序，在此基础上进

7、行简洁地修改，即可编写出比较复杂地程序 .因此，我们选用方案二.（4） ）传感器地挑选1. MPU6050智能手表地记步功能可以通过两种不同方式来实现，方式 A：通过 GPS传感器采集 GPS数据，通过分析采集 GPS采集回来地经纬度信息，运算得出运动距离，再依据用户设定地步长，来反推步数；这种方式除了可以计步，仍能记录实时位置，但是这种方式出来地结果可能不太精确，特殊是当跑步距离较短地时候，精准定位难度大，距离运算莫非大.方式 B：通过 3D 加速度传感器采集加速度数据，步行运动中，垂直和前进产生地加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值，其中垂直方向地加速度变化最大，通过对轨迹

8、地峰值进行检测运算和加速度阈值决策，即可实时运算用户运动地步数，仍可依此进一步估算用户步行距离.这种方式运算出来地步数比较精确，方法简洁，所以我们采纳方式 B， 传感器用地是 MPU6050 传感器 .2. BMP180可用量程： 300hPa 至 1100hPa 对应海拔 -500m 到+9000m肯定精度最低可以达到0.03hPa，另外仍能测量温度值；此传感器可用来欢迎下载精品学习资源采集气压和温度，显示到屏幕上 .（5） ）显示模块显示模块考虑 LCD显示或者 OLED显示，分析如下：1. OLED 是主动放光显示器件，可以实现比LCD 更高地效率，更好地视角.LCD 由于开口率， 5

9、层透光光学结构限制，其发光地有效率始终超不过 10 .2. OLED 是元器件地主动发光器件，就像做集成电路二极管一样，可以做地像素很小，所以辨论率可以很大，加上材料高分子有机材料，能够做成很薄 很轻地设计，这是主要地优点，适合用于体积要求较高地可穿戴电子设备.综合上面分析所以我们挑选体积小、省电、有用性大地OLED模块.（6） 通信模块通信方式地挑选可以有多种，例如有线传输和无线传输，考虑到用户使用体验，打算采纳无线传输方式，而无线传输方式中适合单片机与安卓智能手机通信地有蓝牙通信和 WIFI 通信.wifi 通信模块适合大数据量地传输，而且传输地速度也较快，最大地地弱点就是功耗高，其稳固性

10、也不够高，而蓝牙技术也比较成熟，在短距离传输 方面其稳固性要好，而且其功耗也相对较小，可以很便利地实现点对点通 信.作为我们地智能可穿戴地设备，我们尽可能要查找低功耗地模块，而且 我们地设备主要是传送用户地运动信息，信息量不是很大，所需要传送地 距离也不是很大，不需要wifi 地无线局域网，我们地要求是能够稳固地传送，所以蓝牙模块是我们比较抱负地挑选.五、硬件电路在硬件地挑选上，我们均采纳了与arduino 开发环境兼容地microduino 系列模块作为我们地主要硬件电路 .之所以挑选该系列地模块，是由于Microduino 系列模块体积小、可层叠式搭配使用，总体积将在3CM*3CM*3CM

11、之内.在我们地设计地手表地可接受范畴之内，总地电路地体积不会太大.Microduino 系列欢迎下载精品学习资源模块有常见地各种配套模块，基本符合智能运动手表地需要地硬件支持.1. 核心模块挑选了搭载了Atmel ATmega644PA地 Microduino-Core+，该模块具备了 Digital I/O 数字输入 / 输出端共 023， A0A7.AnalogI/O 模拟输入 / 输出端共 A0A7 支. 持六路 PWM 输出端口，支持 ISP下载功能 .三路路外部中断 .主控芯片地最小系统：2. 采纳 Microduino 系列地矢量传感器模块，集成了磁场强度强度传感器， 气压传感器，

12、三轴加速度传感器以及三轴陀螺仪，并且可通过I2C 接口与Core/Core+核心模块通信 .利用该模块所具有地传感器，就可以实现我们地对温度、气压、海拔以及运动步数地测量 .磁场强度传感器（ HMC5883L）欢迎下载精品学习资源3.三轴加速度 +三轴陀螺仪传感器（ MPU6050），此模块为实现手表计步等功能地主要模块，通过读取加速度数据，可以得到运动时地震惊曲线，通过对 曲线地分析可以得出运动状态 .另外，如用户睡眠时戴着手表，我们能通过读取加速度数据来判定使用者地睡眠状况 .欢迎下载精品学习资源4. Microduino-BT 模块是一块支持蓝牙串口透亮传输模块，利用该模块可以实现我们地

13、运动手表与移动终端设备地通信，把数据传给手机，通过手机端地APP对用户地运动数据进行处理，从而反映出用户地运动状况.蓝牙与手机地通信电路图：欢迎下载精品学习资源5. Microduino-RTC时钟模块是基于 PCF8563 芯片地时钟模块，模块仍附加AT24c32芯片，供应额外地 EEPROM功能.IIC 接口通信 . 超级电容供应了肯定地掉电计时才能 .PCF8563使用一个外部晶体和电容，并有1 个中断输出，可以定时触发中断，用途非常广泛 .显示模块 Microduino - OLED 12864是基于 SSD1306 地 0.96吋12864 OLED 显示模块 . 采纳 I2C 接口

14、， 3.3V 电源.欢迎下载精品学习资源Microduino-USB2TTL/zh便利与运算机地通信，通过该模块可以实现对程序地烧写，便利系统地更新以及算法地优化.采集电路温度气压内置ADC加速度D2-D5RX TX用 Arduino实现数控功能地框图如图 2 所示：按键复位按键1键2D16D14D15CPU发 出 指令图 2 用 ATmega644PA实现数控功能地方框图六、软件地设计（1）单片机程序框图欢迎下载精品学习资源开头 初始化是否按键 1 按下？按键 1？否是按键 1？是否是按键 2 按下？否欢迎下载精品学习资源否蓝牙串口按键 1？是否欢迎下载精品学习资源是欢迎下载精品学习资源（2

15、）一、安卓手机客户端程序功能框图0. 内置自动提示功能1. 登陆界面a) 动态添加用户选项b) 点击用户选项进行登陆2. 主界面a) 今日方案p1. 展现每日地建议以及统计量p2. 展现每周地方案要求以及统计量p3. 完成度地统计p4. 共享功能b) 方案制定p1. 自定义锤炼方案共 4 种方案/ 1 / 以锤炼时间为基准设置每周地运动时间（小时） 详情：考虑到以天为单位地锤炼方案缺乏弹性，以周为单位地锤炼方案更加合理 .而且周六日地闲暇时间会比较多，所以在今日方案地建议中安排地权重会相对工作日更大.欢迎下载精品学习资源/ 2 / 以跑步距离为基准设置每周地跑步距离（公里） 详情：考虑到以天为

16、单位地锤炼方案缺乏弹性，以周为单位地锤炼方案更加合理 .而且周六日地闲暇时间会比较多，所以在今日方案地建议中安排地权重会相对工作日更大./ 3 / 以降低体重为基准设置方案减低地体重（斤） 设置此方案用时（天）详情：考虑到减肥具有很强地目地性，所以供应降低地体重和方案用时两个选项让用户进行挑选.然后在后台利用 “动态体重估测模型 ”（见下）进行模拟，供应参考价值高地建议/ 4 / 以消耗地卡里路为基准设置每天需要通过运动消耗地卡路里（卡路里） 详情：考虑到挑选此选项地人会对卡路里地摄入比较关怀，所以我们以天为一个设置单位 .p2. 已制定地方案展现已制定地方案c) 历史记录手段：读写数据库p1

17、. 展现最近一周（从本周一开头展现）地记录/ 1 / 分类方法：历史记录最近一周内每天地总统计欢迎下载精品学习资源每天地每个时间端地统计每个时间段地各项数据以及各种细节/2 / 猎取最近一周地天气情形结合智能手表中地蓝牙数据，动态显示天气地情形p2. 一周前地记录依据月份进行组织设计同上，不过进行了肯定地简化.d) 健康资讯p1. 自动跳转至一个讲解跑步锤炼相关地学问地网站3. 账号治理界面a) 查看本机地账号，进行更删改查b) 跳转至账号注册界面4. 账号注册界面a) 输入基本数据b) 把用户与智能手表进行绑定c) 把用户地基本信息写入用户信息数据库5. 数据同步界面a) 利用蓝牙进行数据地

18、同步b) 将获得地数据写入数据库七、算法亮点1. 动态体重估测模型：对体重变化进行非线性模拟对有需要减肥地伴侣供应更靠谱地指导使用固定地削减饮食或增加运动地减肥策略，减肥成效会越来越差，由于减重地成效并非线性递减，而是逐步趋缓地.告知你想在X 天内减肥 Y 千克，饮食跟运动习惯该如何调整，可不是简洁地1 千克含几千卡热量所以减肥几千克要少吃几千卡这种简洁地四就运算 .欢迎下载精品学习资源模型以及算法地具体说明：卡里路模型Hall_Lancet_Web_Appendix.pdf2. 计步算法：我们利用了其三轴加速计（x,y,z 轴代表方向如图）地特性来分析.分别用以检测人步行中三个方向地加速度变

19、化 .用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会出现周期性变化，如下列图，在步行收脚地动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加地趋势，之后连续向前，重心下移两脚触底，加速度相反.水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加.由于用户在运动中可能手平持设备或者将设备置于口袋中，所以设备地放置方向不定，为此我们通过运算三个加速度地矢量长度，获得一条步行运动地正弦曲线轨迹.其次步是峰值检测，我们记录了上次矢量长度和运动方向，通过矢量长度地变化，可以判定目前加速度地方向，并和上一次储存地加速度方向进行比较，假如是相反地，即是刚过峰值状态，就进入计步规律进行计步，否就舍弃.通过对峰值地次数累

20、加可得到用户步行步伐 .最终是去干扰，手持设备会有一些低幅度和快速地抽搐状态，或是我们俗称地手抖，或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路，这些干扰数据假如不剔除，会影响记步地精确值，对于这种干扰，我们可以通过给检测加上阈值和步频判定来过滤.算法如下：欢迎下载精品学习资源for int m=0 ；mN_FFT；m+accelgyro.getMotion6&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz ； / 读取 6050 数据Ax=ax/16384.00；Ay=ay/16384.00；Az=az/16384.00；data_of_N_FFTm.real = sqrt

21、Ax*Ax+Ay*Ay+Az*Az ； / 输入采样数据data_of_N_FFTm.imag = 0；FFT； / 进行 FFT运算/ 进行低通滤波，滤掉高频部分forintii=20 ；iiN_FFT；ii+data_of_N_FFTii.imag=0 ；data_of_N_FFTii.real/* IFFT；/ 进行 IFFT运算data_of_N_FFTN_FFT.real =data_of_N_FFTN_FFT-1.rea；l/ 输入采样数据stepc=stepc+countstepN_FFT；int countstep int nint count=0 ；int maxi=0,mi

22、ni=0 ；double dataMAX=IFFT_RESULT0；double dataMIN=IFFT_RESULT0；double theTop=IFFT_RESULT0；double theLow=IFFT_RESULT0；/bool findTop=0,findLow=0 ；forint i=1 ；i=dataMAX/求/波峰 dataMAX=IFFT_RESULT；iifIFFT_RESULTi+1n-1 count=count+1 ；theTop=dataMAX；maxi=；idataMIN=IFFT_RESULT；i /% 重新设置比较地起点ifIFFT_RESULTi+1da

23、taMIN /% 在这个数据比上一个最小值仍小时，看下一个值是不是比这个值大，大地话这里地就是波谷ifabsdataMIN-theTop0.35& absmaxi-mini15 /这个阀值目前仍没通过试验确定，算法也太过简洁待完善 count=count+2 ；dataMAX=IFFT_RESULT；i/% 重新设置比较地起点欢迎下载精品学习资源return count ；八、产品地外包装在产品地包装上，在保证了把我们地电路包装在一个包装壳地前提下，我们追求我们地外包装地美观，以及能够保证电路系统能够充分地散热，我们对电路地各部分进行了测量，通过 proe 绘制了我们地外壳地零件图，并最终通过

24、3d 打印，把我们地产品地外包装设计了出来 .产品最终地成效图如下：九、产品地测试我们对产品进行了多次地测试，将测试地结果与实际进行分析温度地测试：我们在不同地时间段选取了室内室外不同地温度情形进行了测试，与用实际地温度计地测量结果进行比较：温度计 17.420.025.027.231.5欢迎下载精品学习资源实 际 步 数81550100200手 表 测 步8165096192（步）跑步状态： 实 际 步 数81550100200（步）手 表 测 步8144694188（步）测量运动距离：我们通过多次在100m地跑道上进行测试，结果如下：实际距离 m100100100100100手表测距 m9

25、6104.0105.697.690.0手表测温 17.520.125.127.431.7通过与实际地温度计地测量结果进行比较，发觉我们地手表在温度地测量上与实际温度相比较为接近 .运动步数测量：我们通过佩戴我们地手表进行测试，分别在步行跟跑步地状态对手表进行测试，结果如下步行状态：（步）由于我们地测量距离是相对比较精确地，误差小于6%.分析：我们地测量数据主要是通过我们地传感器来收集地，传感器地精度以及算法地设计很大程度上影响测量地结果.当然电路系统地发热很影响了实际地测量结果.但是通过分析我们地数据，可以发觉我们地测量结果在我们地接受范畴之内，可以满意我们对用户运动数据地采集，依据此数据可以分析用户地运动健康状况.十、总结欢迎下载精品学习资源通过设计我们地硬件系统，采纳各类传感器对我们地用户地运动地数据进行采集，实现了 我们地设计初地基本功能.在通信方面，采纳蓝牙技术，实现点对点通信，实现手表与手机等移动终端地数据通信，能将用户地信息发送到手机端.在手机端，我们开发了配套地APP，用户可以在APP 应用程序上登记注册信息，从而实现对个人信息地治理，准时明白运动数据，对用户地身体健康状况进行分析，是广泛群体地好帮手.欢迎下载