可穿戴设备运动手表智能运动手表报告智能手表设计219779.docx

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1、电子设计计大赛题目名称称：可穿戴设设备设计计运运动手表表队长姓名名:学 校：联系电话话：通讯地址址：邮政编码码：结题日期期： 20114年99月2日日 项目目组成员员：序号姓名性别年级专业业学号 摘 要本设计是是一款智智能运动动手表，以以微控制制器ATTmegga6444PAA为控制制核心，利利用PCCF85563时时钟芯片片、三维维加速度度传感器器、温度度传感器器、气压压传感器器采集运运动数据据，并使使用OLLED显显示屏实实现显示示时间功功能、显显示温度度、气压压、海拔拔高度功功能、计计步功能能，结合合蓝牙22.1模模块，实实现与安安卓手机机的通信信功能；团队开开发了一一款安卓卓APPP与

2、智能能手表结结合使用用，智能能手表可可以将数数据传送送到安卓卓手机，通通过APPP对数数据进行行2次处处理，实实现运动动步数、卡卡路里消消耗量、运运动距离离、运动动时间、运运动规律律的记录录与分析析，能根根据数据据为使用用者提供供健康方方面的建建议。一、任务务制作具备备一定创创新和实实际应用用综合功功能的可可穿戴软软硬件电电子系统统（注：以软件件开发为为主的，需需结合外外部硬件件平台实实现特定定系统功功能）二、 系统功能能分析我们们的主题题，决定定我们的的设计的的系统的的功能如如下：1、显示示时间、包包括年份份月份日日期、星星期以及及实时时时间；2、显示示温度、气气压、海海拔高度度；3、记录录

3、走路或或者跑步步步数并并显示；4、将传传感器数数据传送送到安卓卓手机；5、安卓卓手机软软件接收收数据，存存入数据据库，对对历史数数据进行行保存；6、安卓卓手机软软件分析析数据，根根据用户户设定，计计算出跑跑步距离离，消耗耗卡路里里等，并并储存数数据，通通过分析析历史数数据，得得出用户户的运动动状况，并并能给用用户跑步步方便的的建议。7.记录录睡觉时时的数据据，分析析睡眠状状况；8、手机机短信提提醒、来来电提醒醒功能。三、产品品的对象象我们的产产品在设设计上在在保证原原有的手手表显示示时间的的基础之之上，加加上运动动模块元元素，可可以对用用户的运运动数据据采集，配配套相应应APPP，可以以实现对

4、对运动数数据的分分析处理理。适合合广泛的的热爱运运动的人人群使用用，以及及广大的的旅游爱爱好者使使用。四、方案案论证为了完成成上面所所涉及的的各种功功能，将将整个电电路分成成三个部部分：电电源模块块、主控控模块、传传感器模模块、显显示模块块和蓝牙牙模块。框框图如图图1所示。供电系统显示部分传感器模块主控部分蓝牙模块安卓手机图1 原原理方框框图考虑到我我们的产产品作为为一款手手表，要要充分考考虑到产产品的体体积问题题，我们们在各个个模块的的选择上上尽可能能采用小小的部件件。在实实现传统统手表的的功能的的基础上上加入运运动的元元素，我我们的手手表支持持运动的的功能，就就要考虑虑手表的的实用性性。在

5、数数据传输输方面，我我们采用用蓝牙传传输方式式，将运运动过程程中产生生的各类类数据通通过蓝牙牙的方式式传输到到我们的的移动终终端，从从而实现现对运动动数据的的处理。（1）供供电系统统整个系系统由33.7VV锂电池池供电，通通过升压压模块升升到5.0V给给单片机机以及其其他模块块使用。在在供电方方面的选选择上，因因为要考考虑到手手表的体体积，我我们采用用了体积积较小的的锂电池池。因为为采用ooledd显示，而而且还支支持手表表与移动动终端的的通信，这这样在能能耗方面面就比传传统的手手表要大大得多，所所以选择择可以多多次充电电的锂电电池是理理想的选选择。锂锂电池与与充放电电电路具具有保护护电路，保

6、保证了产产品的安安全性。选选用的充充电器接接口为mmicrroussb接口口，能够够与众多多的电源源设配器器使用，增增加了产产品使用用的普遍遍性。（2）控控制方式式的选择择方案一：采用AAT899C511作为控控制器采用ATT89CC51单单片机进进行控制制。ATT89CC51价价格低廉廉，结构构简单，而而且资料料丰富；但是551单片片机系统统资源有有限，88位控制制器，运运算能力力有限，且且没有内内置ADD/DAA转换器器，需要要外接大大量外围围电路，而而且程序序的编写写相对复复杂。方案二：采用AATmeega6644PPA作为为控制器器采用ATTmegga6444PAA单片机机进行控控制。

7、AATmeega3328单单片机具具有强大大功能的的8位微微控制器器，它内内部集成成8路110为AADC，可可以直接接用于传传感器数数据采集集，以及及数字控控制输出出；采用用ATmmegaa6444PA单单片机，能能将相当当一部分分外围器器件结合合到一起起，使用用方便，抗抗干扰性性能提高高。因此，我我们选用用方案二二。（3）开开发环境境的选择择方案一：AVRRstddio开开发环境境AVRRstddio是是ALMMEL公公司的一一个免费费集成开开发环境境，只支支持汇编编语言。方案二：Ardduinno开发发环境Arduuinoo是一块块基于开开放源代代码的UUSB接接口Siimplle ii/

8、o接接口板并并且具有有使用类类似Jaava,C语言言的IDDE集成开开发环境境。Arrduiino的的理念是是开源。针针对周边边I/OO设备的的Ardduinno编程程，很多多常用的的I/OO设备都都已经带带库文件件或者样样例程序序，在此此基础上上进行简简单的修修改，即即可编写写出比较较复杂的的程序。因此，我我们选用用方案二二。（4）传传感器的的选择1. MMPU660500智能手表表的记步步功能可可以通过过两种不不同方式式来实现现，方式A：通过GPPS传感感器采集集GPSS数据，通通过分析析采集GGPS采采集回来来的经纬纬度信息息，计算算得出运运动距离离，再根根据用户户设定的的步长，来来反推

9、步步数；这这种方式式除了可可以计步步，还能能记录实实时位置置，但是是这种方方式出来来的结果果可能不不太准确确，特别别是当跑跑步距离离较短的的时候，精精准定位位难度大大，距离离计算难难道大。方式B：通过33D加速速度传感感器采集集加速度度数据，步步行运动动中，垂垂直和前前进产生生的加速速度与时时间大致致为一个个正弦曲曲线，而而且在某某点有一一个峰值值，其中中垂直方方向的加加速度变变化最大大，通过过对轨迹迹的峰值值进行检检测计算算和加速速度阈值值决策，即即可实时时计算用用户运动动的步数数，还可可依此进进一步估估算用户户步行距距离。这这种方式式计算出出来的步步数比较较准确，方方法简单单，所以以我们采

10、采用方式式B，传感感器用的的是MPUU60550传感感器。2. BBMP1180可用量程程：3000hPPa至11000hPPa (对应海海拔-5500mm到+90000mm)绝对精度度最低可可以达到到0.003hPPa，另另外还能能测量温温度值；此传感感器可用用来采集集气压和和温度，显显示到屏屏幕上。（5）显显示模块块显示模块块考虑LLCD显显示或者者OLEED显示示，分析析如下：1.OLLED是是主动放放光显示示器件，可可以实现现比LCCD更高高的效率率，更好好的视角角。LCCD由于于开口率率，5层层透光光光学结构构限制，其其发光的的有效率率始终超超不过110。2.OLLED是是元器件件的

11、主动动发光器器件，就就像做集集成电路路二极管管一样，可可以做的的像素很很小，所所以分辨辨率可以以很大，加加上材料料高分子子有机材材料，能能够做成成很薄很很轻的设设计，这这是主要要的优点点，适合合用于体体积要求求较高的的可穿戴戴电子设设备。综合上面面分析所所以我们们选择体体积小、省省电、实实用性大大的OLLED模模块。（6）通通信模块块通信方式式的选择择可以有有多种，例例如有线线传输和和无线传传输，考考虑到用用户使用用体验，决决定采用用无线传传输方式式，而无无线传输输方式中中适合单单片机与与安卓智智能手机机通信的的有蓝牙牙通信和和WIFFI通信信。 wwifii通信模模块适合合大数据据量的传传输

12、，而而且传输输的速度度也较快快，最大大的的弱弱点就是是功耗高高，其稳稳定性也也不够高高，而蓝蓝牙技术术也比较较成熟，在在短距离离传输方方面其稳稳定性要要好，而而且其功功耗也相相对较小小，可以以很方便便的实现现点对点点通信。作作为我们们的智能能可穿戴戴的设备备，我们们尽可能能要寻找找低功耗耗的模块块，而且且我们的的设备主主要是传传送用户户的运动动信息，信信息量不不是很大大，所需需要传送送的距离离也不是是很大，不不需要wwifii的无线线局域网网，我们们的要求求是能够够稳定的的传送，所所以蓝牙牙模块是是我们比比较理想想的选择择。五、硬件件电路在硬件的的选择上上，我们们均采用用了与aarduuino

13、o开发环环境兼容容的miicrooduiino系系列模块块作为我我们的主主要硬件件电路。之之所以选选择该系系列的模模块，是是因为MMicrroduuinoo系列模模块体积积小、可可层叠式式搭配使使用，总总体积将将在3CCM*33CM*3CMM之内。在在我们的的设计的的手表的的可接受受范围之之内，总总的电路路的体积积不会太太大。MMicrroduuinoo系列模模块有常常见的各各种配套套模块，基基本符合合智能运运动手表表的需要要的硬件件支持。1.核心心模块选选择了搭搭载了AAtmeel AATmeega6644PPA的MMicrroduuinoo-Coore+，该模模块具备备了Diigittal

14、 I/OO 数字字输入/输出端端共 00233，A00A77。Annaloog II/O 模拟输输入/输输出端共共 A00A77 。支支持六路路PWMM输出端端口，支支持ISSP下载载功能。三三路路外外部中断断。主控芯片片的最小小系统：2.采用用Miccrodduinno系列列的矢量量传感器器模块，集集成了磁磁场强度度强度传传感器，气气压传感感器，三三轴加速速度传感感器以及及三轴陀陀螺仪，并并且可通通过I22C接口口与Coore/Corre+核核心模块块通信。利利用该模模块所具具有的传传感器，就就可以实实现我们们的对温温度、气气压、海海拔以及及运动步步数的测测量。磁场强度度传感器器（HMMC5

15、8883LL）3.三轴轴加速度度+三轴轴陀螺仪仪传感器器（MPPU60050），此模块为实现手表计步等功能的主要模块，通过读取加速度数据，可以得到运动时的震动曲线，通过对曲线的分析可以得出运动状态。另外，若用户睡眠时戴着手表，我们能通过读取加速度数据来判断使用者的睡眠状况。4.Miicrooduiino-BT模模块是一一块支持持蓝牙串串口透明明传输模模块，利利用该模模块可以以实现我我们的运运动手表表与移动动终端设设备的通通信，把把数据传传给手机机，通过过手机端端的APPP对用用户的运运动数据据进行处处理，从从而反映映出用户户的运动动状况。蓝牙与手手机的通通信电路路图：5.Miicrooduii

16、no-RTCC时钟模模块是基基于 PPCF885633芯片的的时钟模模块，模模块还附附加ATT24cc32芯芯片，提提供额外外的EEEPROOM功能能。IIIC接口口通信。 超级电电容提供供了一定定的掉电电计时能能力。PPCF885633使用一一个外部部晶体和和电容，并并有1个个中断输输出，可可以定时时触发中中断，用用途十分分广泛。显示模块块Miccrodduinno - OLLED 128864 是基于于 SSSD13306 的 00.966 吋 128864 OLEED 显显示模块块。采用用I2CC接口，33.3VV 电源源。Micrroduuinoo-USSB2TTTL/zh方方便与计计

17、算机的的通信，通通过该模模块可以以实现对对程序的的烧写，方方便系统统的更新新以及算算法的优优化。用Ardduinno实现现数控功功能的框框图如图图2所示：按键1复位键按键2采集电路D15D14D16ATmega644PA 温度气压CPU发出指令内置ADC加速度RX TXD2-D5蓝牙通信电路显示电路图2 用用ATmmegaa6444PA实实现数控控功能的的方框图图六、软件件的设计计（1）单单片机程程序框图图开始 初始化省电界面是否按键1按下？时间界面按键1？否是按键1？环境显示界面是否是连续计步，显示计步界面按键2按下？否按键1？否是否蓝牙串口是发送数据到手机端（2）一、安卓卓手机客客户端程程

18、序功能能框图蓝牙连接手表制定运动计划健康资讯查看历史数据0. 内内置自动提醒醒功能1. 登陆界界面a) 动态添添加用户户选项b) 点击用户户选项进进行登陆陆2. 主界面面a) 今日计计划p1. 展示示每日的的建议以以及统计计量p2. 展示示每周的的计划要要求以及及统计量量p3. 完成成度的统统计p4. 分享享功能b) 计划制制定p1. 自定义义锻炼计计划共4种方方案/ 11 /以以锻炼时时间为基基准设置每周周的运动动时间（小小时）详情：考虑到以以天为单单位的锻锻炼计划划缺乏弹弹性，以以周为单单位的锻锻炼计划划更加合合理。而而且周六六日的空空闲时间间会比较较多，所所以在今今日计划划的建议议中分配

19、配的权重重会相对对工作日日更大。/ 22 /以以跑步距距离为基基准设置每周周的跑步步距离（公公里）详情：考虑到以以天为单单位的锻锻炼计划划缺乏弹弹性，以以周为单单位的锻锻炼计划划更加合合理。而而且周六六日的空空闲时间间会比较较多，所所以在今今日计划划的建议议中分配配的权重重会相对对工作日日更大。/ 33 /以以降低体体重为基基准设置计划划减低的的体重（斤斤）设置此计计划用时时（天）详情：考虑到减减肥具有有很强的的目的性性，所以以提供降降低的体体重和计计划用时时两个选选项让用用户进行行选择。然后在后台利用“动态体重估测模型”（见下）进行模拟，提供参考价值高的建议/ 44 /以以消耗的的卡里路路为

20、基准准设置每天天需要通通过运动动消耗的的卡路里里（卡路路里）详情：考虑到选选择此选选项的人人会对卡卡路里的的摄入比比较关心心，所以以我们以以天为一一个设置置单位。p2. 已制制定的计计划展示已制制定的计计划c) 历史记记录手段：读读写数据据库p1. 展示示最近一一周（从从本周一一开始展展示）的的记录/ 1 /分类方方法：历史记录录最近一周周内每天天的总统统计每天的每每个时间间端的统统计每个时间间段的各各项数据据以及各各种细节节/ 2 /获取最最近一周周的天气气情况结结合智能能手表中中的蓝牙牙数据，动动态显示示天气的的情况p2. 一周周前的记记录按照照月份进进行组织织设计同上上，不过过进行了了一

21、定的的简化。d) 健康资资讯p1. 自动动跳转至至一个讲讲解跑步步锻炼相相关的知知识的网网站3. 账号管管理界面面a) 查看本本机的账账号，进进行更删删改查b) 跳转至至账号注注册界面面4. 账号注注册界面面a) 输入基基本数据据b) 把用户户与智能能手表进进行绑定定c) 把用户户的基本本信息写写入用户户信息数数据库5. 数据同同步界面面a) 利用蓝蓝牙进行行数据的的同步b) 将获得得的数据据写入数数据库七、算法法亮点1. 动态体重重估测模模型：对体重重变化进进行非线线性模拟拟对有有需要减减肥的朋朋友提供供更靠谱谱的指导导使用固定定的减少少饮食或或增加运运动的减减肥策略略，减肥肥效果会会越来越

22、越差，因因为减重重的效果果并非线线性递减减，而是是逐渐趋趋缓的。告告诉你想想在X天内减减肥Y千克，饮饮食跟运运动习惯惯该如何何调整，可可不是简简单的11千克含含几千卡卡热量所所以减肥肥几千克克要少吃吃几千卡卡这种简简单的四四则运算算。模型以及及算法的的详细说说明：2.计计步算法法：我们利用用了其三三轴加速速计（xx,y,z轴代代表方向向如图）的的特性来来分析。分分别用以以检测人人步行中中三个方方向的加加速度变变化。用户户在水平平步行运运动中，垂垂直和前前进两个个加速度度会呈现现周期性性变化，如如图所示示，在步步行收脚脚的动作作中，由由于重心心向上单单只脚触触地，垂垂直方向向加速度度是呈正正向增

23、加加的趋势势，之后后继续向向前，重重心下移移两脚触触底，加加速度相相反。水水平加速速度在收收脚时减减小，在在迈步时时增加。因为用户户在运动动中可能能手平持持设备或或者将设设备置于于口袋中中，所以以设备的的放置方方向不定定，为此此我们通通过计算算三个加加速度的的矢量长长度，获获得一条条步行运运动的正正弦曲线线轨迹。第二二步是峰峰值检测测，我们们记录了了上次矢矢量长度度和运动动方向，通通过矢量量长度的的变化，可可以判断断目前加加速度的的方向，并并和上一一次保存存的加速速度方向向进行比比较，如如果是相相反的，即即是刚过过峰值状状态，则则进入计计步逻辑辑进行计计步，否否则舍弃弃。通过过对峰值值的次数数

24、累加可可得到用用户步行行步伐。最后后是去干干扰，手手持设备备会有一一些低幅幅度和快快速的抽抽动状态态，或是是我们俗俗称的手手抖，或或者某个个恶作剧剧用户想想通过短短时快速速反复摇摇动设备备来模拟拟人走路路，这些些干扰数数据如果果不剔除除，会影影响记步步的准确确值，对对于这种种干扰，我我们可以以通过给给检测加加上阈值值和步频频判断来来过滤。算法如下下：for (innt mm=0;mNN_FFFT;mm+) acccellgyrro.ggetMMotiion66(&aax, &ayy, &az, &ggx, &gyy, &gz); /读取取60550数据据 AAx=aax/1163884.000

25、; AAy=aay/1163884.000; AAz=aaz/1163884.000; daata_of_N_FFFTm.reaal = sqqrt(Axx*Axx)+(Ay*Ay)+(AAz*AAz);/输入入采样数数据 daata_of_N_FFFTm.imaag = 0; FFTT();/进进行 FFFT计计算/进行行低通滤滤波，滤滤掉高频频部分for(inttii=20;iiN_FFFT;ii+)datta_oof_NN_FFFTiii.imaag=00;daata_of_N_FFFTii.reeal/*IFFTT();/进进行 IIFFTT计算dataa_off_N_FFTTN_FF

26、TT.rreall =ddataa_off_N_FFTTN_FFTT-1.reeal;/输入入采样数数据steppc=ssteppc+ccounntsttep(N_FFFT);int couuntsstepp( iint n)intt coountt=0; innt mmaxii=0,minni=00;douublee daataMMAX=IFFFT_RRESUULT(0); dooublle ddataaMINN=IFFFT_RESSULTT(0);douublee ttheTTop=IFFFT_RRESUULT(0); dooublle theeLoww=IFFFT_RESSULTT(0)

27、;/bbooll fiindTTop=0,ffinddLoww=0;forr(innt ii=1;i=daataMMAX)/求求波峰 ddataaMAXX=IFFFT_RESSULTT(i); iff(IFFFT_RESSULTT(i+1)n-11) couunt=couunt+1; ttheTTop=dattaMAAX; maxxi=ii;dattaMIIN=IIFFTT_REESULLT(ii);/%重重新设置置比较的的起点 iff(IFFFT_RESSULTT(i+1)dattaMIIN) /%在这这个数据据比上一一个最小小值还小小时，看看下一个个值是不不是比这这个值大大，大的的话这里里

28、的就是是波谷 if(abss(daataMMIN-theeTopp)00.355 & abss(maaxi-minni)15 ) /这个个阀值目目前还没没通过实实验确定定，算法法也太过过简单待待完善 ccounnt=ccounnt+22; ddataaMAXX=IFFFT_RESSULTT(i);/%重新新设置比比较的起起点 retturnn coountt;八、产品品的外包包装在产品的的包装上上，在保保证了把把我们的的电路包包装在一一个包装装壳的前前提下，我我们追求求我们的的外包装装的美观观，以及及能够保保证电路路系统能能够充分分的散热热，我们们对电路路的各部部分进行行了测量量，通过过pro

29、oe绘制制了我们们的外壳壳的零件件图，并并最终通通过3dd打印，把把我们的的产品的的外包装装设计了了出来。产品最终终的效果果图如下下：九、产品品的测试试我们对产产品进行行了多次次的测试试，将测测试的结结果与实实际进行行分析温度的测测试：我们在不不同的时时间段选选取了室室内室外外不同的的温度情情况进行行了测试试，与用用实际的的温度计计的测量量结果进进行比较较：温度计()17.44 20.025.00 227.2231.55手表测温温() 117.5520.11 255.1 227.44 311.7通过与实实际的温温度计的的测量结结果进行行比较，发发现我们们的手表表在温度度的测量量上与实实际温度度

30、相比较较为接近近。运动步数数测量：我们通过过佩戴我我们的手手表进行行测试，分分别在步步行跟跑跑步的状状态对手手表进行行测试，结结果如下下步行状态态：实际步数数（步） 8 15 550 1100 2200手表测步步（步） 8 16 550 96 1192跑步状态态：实际步数数（步） 8 115 50100200手表测步步（步）8 114 4694 1888测量运动动距离：我们通过过多次在在1000m的跑跑道上进进行测试试，结果果如下：实际距离离(m)100100100100100手表测距距(m)96104.0 1055.6 97.690.00由于我们们的测量量距离是是相对比比较准确确的，误误差小

31、于于6%。分析：我我们的测测量数据据主要是是通过我我们的传传感器来来收集的的，传感感器的精精度以及及算法的的设计很很大程度度上影响响测量的的结果。当当然电路路系统的的发热很很影响了了实际的的测量结结果。但但是通过过分析我我们的数数据，可可以发现现我们的的测量结结果在我我们的接接受范围围之内，可可以满足足我们对对用户运运动数据据的采集集，依据据此数据据可以分分析用户户的运动动健康状状况。十、总结结通过设计计我们的的硬件系系统，采采用各类类传感器器对我们们的用户户的运动动的数据据进行采采集，实实现了我我们的设设计初的的基本功功能。在在通信方方面，采采用蓝牙牙技术，实实现点对对点通信信，实现现手表与与手机等等移动终终端的数数据通信信，能将将用户的的信息发发送到手手机端。在在手机端端，我们们开发了了配套的的APPP，用户户可以在在APPP应用程程序上登登记注册册信息，从从而实现现对个人人信息的的管理，及及时了解解运动数数据，对对用户的的身体健健康状况况进行分分析，是是广泛群群体的好好帮手。 25