智能运动手环设计

绪论1.1课题背景及其意义

近几年，随着社会的不断发展，人们群众的生活水平越来越好，大家也越来越关注健康问题。计步器是一种便携式反映人体状况的仪器，通过计算行走的步数和所消耗的能量，很有效反映人体健康的状态，所以受到了很多人的喜爱和欢迎。便携式手戴电子计步器是符合大众需求，有两大特点：使用简单，携带方便。

计步器目前是市面上比较受大众认可的衡量健康标准的仪器，它可以通过每天的指标数值，体现健康的状态。刚开始的计步器设计是通过摆锤原理来实现计步功能的，随着科技与时代不断进步，电子感应与加速计技术出现，取代了以前的技术，因此电子计步器随之而来。电子计数器，振动传感器是目前电子计步器比较重要的两大组成部分。计步器主要通过人体重心的移动完成计步功能。人体结构重心变化主要集中在腰部位置，计步器放在腰部比较好。所谓振动传感器，是检测对象在运动过程中的振动，来推测位移变换的传感器，比较适合在计步器上使用。加速度计常用做感受震动的变化，因此是计步器不可或缺的一部分。加速度计原理是这样阐述的：将一块磁铁密封在一截塑料管当中，塑料管的表面缠着一层铜质线圈，当管子运动时，磁铁相对于塑料管和线圈会朝反方向运动，根据电磁感应原理，闭合的导电线圈中会有感应电流产生。实际上，人在正常的行走时，其加速度的变化趋势与正弦波形非常接近，所以导电线圈中的感应电流也是接近正弦波的，然后由正弦波的频率能够推算出用户的运动速度，以及运动时的步数、距离等信息。心率就是指一般人心脏在安静状态下每分钟跳动的次数，因为年龄或则性别等因素，存在着差异性。这是检验人体健康标准的一大指标，也是本次设计较为突出的一大重点。心率的正常值是与年龄相关的，成年人的正常值范围为60次/min到100次/min，大部分人的心率在60次/min到80次/min之间，男性的心率和女性相比，要相对慢些；婴幼儿则比老年人的心率要快很多。心率如果超出正常值，过快的话，一般称为窦动性心率过速（一般在成人心率超过100次/分种）。一般都是运动、兴奋、激动、吸烟、饮酒和喝浓茶后引起的现象。药物或生病也可能导致该现象的发生，比如在感冒发烧时，服用的一些激素类药物会引起心率过快。阵发性心动过速是指心率速度达到了160～220次/min，这种情况是非常危险的，需要随时关注并准备就医。窦性心动过缓是指当心率低于60次/min。常见于运动员身体状况下还有就是从事重劳动体力工作者；病变也可能导致此类症状的出现。如果说心率低于40次/分种，应该考虑是否有房室传导阻滞。因为这个大环境的发展格局下，想设计一款集合计步功能和心率检测功能于一身的智能运动手环。1.2

国内外的研究状况

过去几年时间里，全球的医疗技术和现代工业技术的不断发展，贸易全球化。随着我国的“一带一路”政策响应，各国相互交流共同进步，医疗器械领域得到了快速的发展，国民经济也得到了不断的提高，乃至大幅度增长。医疗器械产业就时代发展而言算是比较重要的，作为一个高新技术产业，其涉及的领域越来越广，不仅仅是带动技术革新，人才培养，为人类长远的发展在不断前进。但目前我国在次领域的发展和其他发达的国家相比，技术不够成熟，产业不够完善，竞争力较弱，相对的基础建设比较落，核心技术掌握的不够成熟，综合性较差。但是作为一个新型的高新技术产业，发展是必要的，也是趋势所向，“一带一路”政策的大环境下，就是希望通力合作，实现共赢的目的，学术科技之间交流才能使得进步，这也是很多发展中国家现在面临的问题。现如今更多的高新技术融合到一起，医疗器械领域得到了飞速的发展，创新领域也不断提高，新型的医疗器械也是接踵而至。受限于我国的科技及工业发展水平，各方面的设施还不够完善，再加上理论创新的发展程度不够，我国的医疗器械整体水平和欧美等工业强国相比，还存在着较大的差距和不足。这些年国家提出“双创”战略，提出要发展创新型国家，非常重视企业创新能力的培养。同时医疗体制改革也在不断的深入，正是医疗器械发展的黄金时期。而且医疗器械是整个医疗健康领域的基础，是衡量国家科技水平和医疗水平的一项重要尺度。计步器的概念是由意大利人的著名发明家伦纳德·达芬奇在1517年提出的，目前保存的第一台计步器是1667年制造生产的。虽然计步器问世很早，但是在之后的很多年并没有引起人们的重视，而逐渐被大家遗忘。目前高新技术产业蓬勃发展，智能化不断提高，被人广泛的认可，此时出现一款便携式智能化运动手环有着比较好的的市场前景。1.3本文的主要研究内容及论文结构安排第1章主要介绍设计的背景和国内外的现状环境；第2章主要选择合适的设计方案；第3章主要介绍硬件的设计方案；第4章主要介绍软件的设计方案；第5章主要介绍整体调试和运行的结果。

第二章方案的设计与论证2.1控制方案的确定本设计由MSP430F149单片机核心电路+重力加速度传感器ADXL345电路+指示灯电路+心率传感器电路+LCD1602液晶显示电路组成。

2.2控制方式的选择2.2.1单片机芯片的选择方案一选取复杂可编程逻辑元件CPLD作为计步器的控制器，CPLD最典型的特点是接口丰富、使用简单，不仅需要的外围电路简单，而且本身编程使用硬件描述语言进行编程，更加的底层，贴近于硬件本身，可以更好的起到控制目的。此外，CPLD本身还具备资源多、体积小、稳定性高、易扩展等特点。在许多大规模的系统中常常和DSP、或者FPGA等控制器结合起来，实现整个系统的高效控制。但由于本设计系统不需要复杂的功能，对数据运行处理要求也不高。且考虑到设计的成本，此方案舍弃。方案二选择ST公司的STC89C52单片机作为主控制器，STC89S52主要是低功耗、高性能器件，具有良好的存储功能。该单片机价格低，功能比较全面，功耗小，但它是个8位存储器，不能达到实现本次设计的需求，故而因此放弃。方案三MSP430单片机是一款超低功耗的16位器件，功能性比较丰富，模电数电集中到一个芯片上，可以较好地解决很多问题，实用性比较强。MSP430F149是该系列应用较为广泛的一款控制芯片，该芯片运行在16位系统、支持精简指令集、超低功耗的混合型单片机，具有高可靠性、低功耗、易扩展、体积小、性价比高、电路简单等优势，在精密仪器上被广泛应用，以及很多智能化产品中，提高产品质量，提升经济价值，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。所以选择方案三。2.2.2显示方案的选择方案一LED数码管，这种数码管的最大优势是价格较低，性能稳定，可以非常简便的和单片机相连。主要是用于数字显示上，实用性较高。但是数码管显示的数字有限，本次设计涉及数字较多，因此达不到设计的要求，此方案放弃。方案二点阵式数码管显示，点阵式数码管是由发光二极管构成的，既可以显示数字，也能显示文字等信息，这种数码管的价格相对较高，用在本方案中的话，性能过剩，且成本较高，因此，本方案也不适宜。方案三选择LCD液晶显示，常和单片机配合使用，他可以显示大量的数据，文字等等，显示的位数也比较多，外观较好，清晰，并且它的程序编写起来比较简单。经济方面价格也比较低廉，其中1602是其比较有特色的一款，很适用于本次设计，综合下来选择此方案。故选择方案三。2.2.3倾角传感器的选择方案一选用陀螺仪来检测位置的信息，功能比较强，精度准确，稳定性强，但是此器件精度要求高，控制起来较为复杂，不适用于本次设计。方案二：选用ADI公司的倾角传感器ADXL345模块来检测位置的信息，ADXL345功能比较全面，有很多存储空间，其成本预算较低，便于控制。因此选择方案二。2.2.4心率监测模块选择方案一选用压力传感器收集心率数据，但其抗干扰能力较差，会对设计测量产生偏差，且测量的难度相对较大，很难达到本次设计的预期目的，所以排除此方案。方案二选用红外模块采集心率信号，此模块对管心率信号采集较为稳定，其抗干扰能力较强，测量的数值比较准确，波形稳定，相对于本次设计是一个很好的选择。故选择方案二。

系统总体设计3.1系统的功能分析本设计由MSP430F149单片机核心电路+重力加速度传感器ADXL345电路+指示灯电路+心率传感器电路+LCD1602液晶显示电路组成。1、通过重力加速度传感器ADXL345检测人的状态，通过黄色LED灯指示人体状态，计算出步数液晶LCD1602液晶上显示。2、通过心率传感器检测心率，并将心率值在液晶LCD1602上实时显示。3.2系统总体结构经过综合的评估，考虑到设计的复杂程度，大致把系统分为几个功能模块：核心控制模块；指示灯模块；倾角传感器模块；心率传感器模块；显示电路模块，通过几大模块完成心率检测和计步的功能，本系统具体框图如图3.2所示：图3.2系统原理框图系统硬件设计4.1.单片机核心电路模块设计运动手环的控制芯片选用了MSP430F149单片机，该控制芯片的是16位的低功耗的混合处理器，将模拟电路，数字电路结合到一块芯片上，功能较全面，适合很多问题的处理。MSP430F149它是一款混合型单片机且具有很多功能例如低功耗，体积小，灵活多变等等，并且使用方便，价格便宜，运用于很多方面如精密仪器和智能化产品中。它既可以提高产品质量也可以实现产品价值，也是单片机系列中一颗亮眼的新星。一、MSP430F149单片机有以下的特点：（1）处理能力强MSP430F149单片机的一大特点是控制指令兼容多种，他所采用用的是较为简单的指令集，较多的指令集，可以简化很多模拟指令，大寄存器以及片内数据存储器和模拟信号处理模块实现的运算功能很多，高效的处理方式也是该单片机的一大特点；高效处理指令方式；通过这些显示了MSP430F149单片机处理能力方面的优势。（2）运算速度快MSP430F149的时钟信号是利用25MHz的晶体振动产生的，晶振的周期为40ns，也是单个指令的执行周期。芯片本身的数据处理器是16位的，再加上高速的指令执行周期、在进行运算时的效率很高、能力很强，能够轻松的完成运算任务。（3）超低功耗MSP430F149单片机的一个重要优势是超低功耗，这个优势不仅可以节约部分能耗，而且需求的供电电压也较低，对外围电路的要求较低，从而简化电源电路和时钟电路的设计。MSP430F149单片机的输入电压范围是1.8~3.6V电压。当时钟频率为1MHz时，芯片电流在200~400uA之间，工作时的能耗很低，而当断开时钟信号时，芯片的电流仅0.1uA，待机运行的能耗可以忽略不计。MSP430F149的时钟电路也别具一格。MSP430F149具有基本时钟系统和锁频环时钟系统（DCO数字振荡器时钟系统），两个相对独立的时钟系统。两个时钟系统的晶振可以选择一个，也可以选用两个不同频率的晶振。芯片在工作时，CPU和各种功能模块都离不开时钟的支持，在实际编写的程序中，可以自由的设置时钟打开及断开的实际。以达到优化系统功耗的目的。各个功能子模块的工作方式不一样，其本身的能耗也不一样。MSP430F149芯片提供了活跃状态和开关不同模块的低功耗状态。芯片的功耗很低，芯片在等待状态时，工作电流约为0.7uA，节电状态的电流低至0.1uA。图4.1.1是MSP430F149单片机的核心接口电路图。。图4.1.1MSP430F149单片机核心接口图MSP430F149单片机核心板的相关电路见图4.1.2。图1.1.2MSP430F149单片机核心板内部原理图MSP430F149单片机实物图如4.1.3所示。图1.1.3MSP430F149单片机核心板实物图4.2LED信号指示灯电路设计运动手环的指示灯选择的是LED灯，其本质上是一种特殊的二极管，能够将电能转化为光能的发光二极管。发光二极管和一般的二极管电路特性类似，都具备单向导电的特性。在应用中，需要在二极管回路上串联一个限流电阻，达到限流保护LED灯的作用。指示灯电路选用的LED是低电压导通的，当相应的引脚电压为低时，会点亮LED灯，反之，LED灯不会亮。其具体电路原理图如图4.2所示。图4.2LED灯指示电路原理图4.3倾角传感器模块电路设计倾角传感器的作用是检测目标运动时的倾角变化，以辅助角加速度的计算。本系统选用的倾角传感器为ADXL345。该传感器的优势在于体积小，安装所需空间小，功耗低、精度高、分辨率高、测量范围广等。传感器采用16位二进制补码方式完成数据控制，访问起来较为容易。ADXL345常用于移动设备上。它可以通过倾斜感受重力加速的的变化，并测量目标在运动过程中，任意状态、任意时刻的加速度。传感器本身的高分辨率，能够检测到非常细微的倾角变动。该型号传感器支持丰富的检测功能。在对传感器敲击时，能够检测其他角度的振动情况。以及检测自由落体等运动方式。以上的功能都可独立运行，不局限于一个管脚。集成式存储器管理系统也是此传感器一大亮点，目前正在申请专利，对于存储数据并将主机负荷降到最低实现此器件低功耗的优势特点。低功耗模式对于智能化器件来说很重要，以极低的代价完成重力加速的测量，质量经济上都有很大的益处。ADXL345模块接口图如图4.3.1所示。图4.3.1ADXL345模块接口图图4.3.2是倾角传感器供电电路图。U2为直流电压转换芯片，将输入的5V直流电转变为3.3V的直流电输出，C1、C2和C3、C4分别是一个大电容并上一个小电容的滤波电容。ADXL345的引脚上接了R2、R3两个电阻，是为了保证输出电压的稳定。D1是一个发光二极管，是系统的电源指示灯，R1是限流电阻，配合LED灯选用。图图4.3.2ADXL345模块电路图ADXL345模块实物图如图4.3.3所示。图4.3.3ADXL345模块实物图4.4脉搏心率传感器模块电路设计脉搏心率传感器，顾名思义，主要功能是测量用户的心率脉搏，功能上来讲是一款将放大电路和噪声消除电路结合的光学心率传感器。通过它可以完成对心率检测相关的实验和研究。光电传感器主要功能就是将脉搏信号转换为电信号，人体将手指放在感应盘上，光感传感器感受，此时二极管会发光，变向说明感应成功，脉搏变化时，血管中的血量改变，会引起穿过血管的光信号强度变化，光信号的变化引起电压的变化。最终将检测到的电信号与脉搏信息对应，实现脉搏心率的测量。根据系统的需求，选择Pulsesensor作为系统的脉搏心率传感器。下面对此传感器的接口说明（1）+外接5V（2）-外接GND（3）S输出接口（0和1）Pulsesensor脉搏心率传感器模块接口原理图如图4.4.1所示。图4.4.1脉搏心率传感器接口原理图脉搏心率传感器模块实物图如图4.4.2所示。图4.4.2脉搏心率传感器实物图此脉搏心率传感器理论上输出的波形如图4.4.3所示。图4.4.3心率脉搏传感器输出波形实际运用中，脉搏心率传感器通过示波器显示的图像如图4.4.4所示。和理论波形一致。图4.4.4心率脉搏传感器实际输出信号波形由此可见，波形并不是标准的方波信号，为了方便单片机检测心率传感器的输出信号，选择LM393比较器将波形滤波一下，使传感器输出信号转换为标准方波信号，更利于单片机采集，保证了信号的稳定检测。通过LM393比较器模块滤波后的波形图如图4.4.5所示。图4.4.5心率脉搏传感器经比较器滤波后输出的波形图LM393比较器模块对脉搏心率传感器模块滤波的电路原理图如图4.4.6所示。图4.4.6心率检测电路原理图LM393比较器模块内部原理图如图4.4.7所示。R1是分压电阻作用是把比较器模块采集到的模拟信息转化为模拟电压信号，当LM393比较器接收到模拟量信号后，即可与LM393比较器芯片2号引脚所接的电位器分压后的模拟电压进行比较，获得方波信号。C1、C2为滤波电容，C1电容的作用是对电源进行滤波，使得运行中电源电压稳定。C2电容的作用是对模拟信号进行滤波，确保模拟信号输出的稳定性。R2、R3是限流电阻，起到保护作用，来防止LED灯烧坏。R4为上拉电阻，上拉就是使得监测的信号保持在一个高电平的位置，并且起到一个限流的作用。保证LM393比较器输出的高低电平信号在与单片机引脚连接时电平信号的读取更加稳定。图4.4.7LM393比较器模块内部电路图LM393比较器模块实物图如图4.4.8所示。图4.4.8LM393比较器模块实物图4.5显示模块电路设计显示模块选用了LCD显示器，其可以显示字符及字段信息。字段的显示与LED的性能差不多，相对简单，只要将信号发送到相应的管脚就可以显示了，字符显示是根据设计需要显示该有的字符。本设计是选用的字符显示。选择LCD1602显示器传输信息。与传统的LED数码管显示器比较起来，它的优势有很多，外形上功能上都占优，而且此显示器不需要添加任何驱动电路，操作方便，就目前市场上的单片机而言，液晶占据了很大的地位，是单片机不可或缺的伙伴。LCD1602显示器可以显示2行汉字共计16个字。一、LCD1602主要技术参数如下：（1）最大显示容量：32个字符；（2）工作电压范围：4.5V～5.5V；（3）额定工作电流：2.0mA（5.0V供电时）；（4）额定工作电压：5.0V；（5）字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm。二、LCD1602采用标准的14脚，其接口的引脚说明如下：（1）引脚1：VSS。（2）引脚2：5VVDD。（3）引脚3：V0改变显示对比度。（4）引脚4：RS选择寄存器，高电平时，为数据寄存器，低电平时，为指令寄存器。（5）引脚5：RW读取选择，高电平时，执行读操作，低电平时，执行写操作。RS与RW均为低电平时，写入指令或是显示地址。RS为低、RW为高，读取线上信号；RS为高、RW为低时，执行数据的写入。（6）引脚6：使能信号，当E端信号检测到下降沿时，使能液晶模块。（7）引脚7～14：D0～D7为8位双向数据线。（8）引脚15～16：空引脚（未连接）三、控制指令说明LCD1602液晶模块的控制指令表如表4.5所示，主要包括如下11个指令。表4.5控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRA或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容四、LCD1602液晶模块的编程操作实现上述11条指令。（1）清显示：指令码为01H，将光标复位到00H。（2）光标返回：将光标返回到地址00H（3）置输入模式：设置光标与显示模式：移动光标方向，高电平右移，低电平左移，控制显示的文字时。高有效，低无效。（4）显示开/关控制：显示开关控制。D：整个液晶是否显示的开关，显示为高，不显示为低C：控制光标是否显示，高显示光标，低无光标B：控制光标闪烁，高闪烁，低不闪烁。（5）光标或字符移位：控制光标显示移位S/C：要高电平时，控制屏幕文字；低电平，移动光标。（6）置功能：设置显示功能：高电平共4位，低电平为8位：单行显示为低电平，双行显示为高电平F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符（7）置字符发生存贮器地址：设置字符发生器RAM地址。（8）置数据存贮器地址：DDRAM地址设置（9）读忙标志或地址：读忙信号和光标地址BF：高为忙，不响应数据命令，低电平相反。（10）写数到CGRA或DDRAM）：写数据（11）从CGRAM或DDRAM读数：读数据系统中选用LCD1602显示器件显示信息。在本电路设计中通过调节电位器可以对液晶显示的对比度即清晰度进行改变。其具体电路原理图如图4.5.1所示。图4.5.1LCD1602液晶显示电路原理图其实物图如图4.5.2所示。图4.5.2LCD1602液晶实物图系统软件设计本设计的总体系统组成有两个部分：硬件系统和软件系统，上一个一章主要介绍了系统的硬件电路的设计方案和各个模块的功能介绍，想要实现预期的目标只有硬件是不行的，还需要支持硬件的软件程序，输入程序到单片机中完成系统的运转。5.1编程语言选择在综合考虑各编程语言的优缺点后，选择了C语言作为本系统的软件设计语言，主要原因是系统功能复杂，需要的运算量较大，且包含很多浮点计算。因此，选择了C语言。对单片机而言，C语言和汇编相比，优势主要如下:不需要深入的研究所选用的控制芯片的指令集和相应的存储器结构，简化开发过程。编译器可以有效的管理好寄存器的分配和寻址。编程时不会因为细节问题而耽误时间。程序的可读性会得到提高。更加贴近人类的思维方式，通过一些函数操作和关键字表达。相比于汇编语言，缩短了运行的所用的时间，方便快捷。C语言的库文件丰富，有许多可以参考的的标准。C语言可以分成多种形式实现模块化编程的技术，添加程序方便。C语言的可移植性好、适用范围广，C语言对开发环境并不挑剔，可以自由的选择开发环境、同时有利于后期的维护。相比于汇编语言，C语言占据很多方面的优势，例如在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上，学习和使用起来简单。5.2单片机程序开发环境运动手环的控制系统是以MSP430F149芯片为控制核心，该系列芯片配套的软件开发平台是IAREmbeddedWorkbench软件，该软件适用于MSP430整个系列，应用非常广泛系统的主流软件。软件具有集成度高、稳定性强和使用方便等特点，为了满足嵌入式的开发环节，IAR内部包括C/C++编译器和调试器，能够完成一个程序的完整开发过程，包括从建立项目开始、编写程序、调试程序、下载程序等过程。IAR还针对不同的MCU，具有配套的开发环境。IAR软件本身的功能也非常强大，提供有许多工具，执行各类任务。同时，支持在线调试程序。IAR编译器还具有优化程序的功能，可以直接生产内存小的可执行文件，因此可以节省内部存储资源，从而在项目开发中极大降低系统开发费用，增强产品竞争核心力。IAREmbeddedWorkbench软件具有以下优势：高效率处理FLASH/PROMABLE；1.兼容C/C++语言；2.支持多种内存模式；3.支持相对路径；4.优秀的中断处理功能；5.采用浮点运算，提高运算能力；6.支持多种调试工具；7.优化代码，提高程序运行效率；8.针对不同的硬件平台，提高配套资源；9.代码的编译速度快。开发环境界面如图5.2.所示：图5.2IAREmbeddedWorkbenchforMSP430开发环境界面5.3仿真器介绍在IAR平台开发时，MSP430F149芯片对应的仿真器为SmratRF04EB，该仿真器具有代码下载，在线仿真、供电等功能，以其优越的性能和低廉的成本，在各种工业电子消费品中被广泛的应用。是开发选用MSP430F149芯片的系统，所不可获取的一部分。该型号仿真器的具体使用顺序为：第一步：在首次使用该型号仿真器时，需要安装SmratRF04EB的USB驱动，驱动需要安装在\IARSystem\Embedded...目录下，并且从电脑的设备管理器上检查USB驱动是否安装成功；第二步：将开发软件SmratRF04EBFlashProgrammer安装到开发的电脑上；第三步：将仿真器的一端与电脑连接，另一端与MSP430F149连接，启动SmratRF04EBFlashProgrammer软件，检查软件是否正确识别了所选用的芯片，首次打开时，还需要在芯片的控制端执行复位操作。软件界面如图4.3所示：图5.3SmratRF04EBFlashProgrammer软