可穿戴设备运动手表智能运动手表报告智能手表设计

电子设计大赛

题目名称：可穿戴设备设计——运动手表

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结题日期： 2014年9月2日

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摘要

本设计是一款智能运动手表，以微控制器ATmega644PA为控制核心，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，实现与安卓手机的通信功能；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，实现运动步数、卡路里消耗量、运动距离、运动时间、运动规律的记录与分析，能根据数据为使用者提供健康方面的建议。

一、任务

制作具备一定创新和实际应用综合功能的可穿戴软硬件电子系统（注：以软件开发为主的，需结合外部硬件平台实现特定系统功能）

二、系统功能

分析我们的主题，决定我们的设计的系统的功能如下：

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，对历史数据进行保存；

6、安卓手机软件分析数据，根据用户设定，计算出跑步距离，消耗卡路里等，并储存数据，

通过分析历史数据，得出用户的运动状况，并能给用户跑步方便的建议。

7.记录睡觉时的数据，分析睡眠状况；

8、手机短信提醒、来电提醒功能。

三、产品的对象

我们的产品在设计上在保证原有的手表显示时间的基础之上，加上运动模块元素，可以对用户的运动数据采集，配套相应APP，可以实现对运动数据的分析处理。适合广泛的热爱运动的人群使用，以及广大的旅游爱好者使用。

四、方案论证

为了完成上面所涉及的各种功能，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。

图1 原理方框图

考虑到我们的产品作为一款手表，要充分考虑到产品的体积问题，我们在各个模块的选择上尽可能采用小的部件。在实现传统手表的功能的基础上加入运动的元素，我们的手表支持运动的功能，就要考虑手表的实用性。在数据传输方面，我们采用蓝牙传输方式，将运动过程中产生的各类数据通过蓝牙的方式传输到我们的移动终端，从而实现对运动数据的处理。

（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。在供电方面的选择上，因为要考虑到手表的体积，我们采用了体积较小的锂电池。因为采用oled 显示，而且还支持手表与移动终端的通信，这样在能耗方面就比传统的手表要大得多，所以选择可以多次充电的锂电池是理想的选择。锂电池与充放电电路具有保护电路，保证了产品的安全性。选用的充电器接口为microusb 接口，能够与众多的电源设配器使用，增加了产品使用的普遍性。 （2）控制方式的选择

方案一：采用AT89C51作为控制器

采用AT89C51单片机进行控制。AT89C51价格低廉，结构简单，而且资料丰

富；但是51单片机系统资源有限，8位控制器，运算能力有限，且没有内置AD/DA

转换器，需要外接大量外围电路，而且程序的编写相对复杂。

方案二：采用ATmega644PA作为控制器

采用ATmega644PA单片机进行控制。ATmega328单片机具有强大功能的8位微控制器，它内部集成8路10为ADC，可以直接用于传感器数据采集，以及数字控制输出；采用ATmega644PA单片机，能将相当一部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性能提高。

因此，我们选用方案二。

（3）开发环境的选择

方案一：AVRstdio开发环境

AVRstdio是ALMEL公司的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的USB接口Simple i/o接口板并且具有使用类似Java,C语言的IDE集成开发环境。Arduino的理念是开源。针对周边I/O 设备的Arduino编程，很多常用的I/O设备都已经带库文件或者样例程序，在此基础上进行简单的修改，即可编写出比较复杂的程序。

因此，我们选用方案二。

（4）传感器的选择

1. MPU6050

智能手表的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采集回来的经纬度信息，计算得出运动距离，再根据用户设定的步长，来反推步数；这种方式除了可以计步，还能记录实时位置，但是这种方式出来的结果可能不太准确，特别是当跑步距离较短的时候，精准定位难度大，距离计算难道大。

方式B：通过3D加速度传感器采集加速度数据，步行运动中，垂直和前进产生的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，其中垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阈值决策，即可实时计算用户运动的步数，还可依此进一步估算用户步行距离。这种方式计算出来的步数比较准确，方法简单，所以我们采用方式B，传感器用的

是MPU6050传感器。

2. BMP180

可用量程：300hPa至1100hPa (对应海拔-500m到+9000m)

绝对精度最低可以达到0.03hPa，另外还能测量温度值；此传感器可用来采集气压和温度，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更高的效率，更好的视角。

LCD由于开口率，5层透光光学结构限制，其发光的有效率始终超不过10％。

2.OLED是元器件的主动发光器件，就像做集成电路二极管一样，可以做的像素很小，所以分辨率可以很大，加上材料高分子有机材料，能够做成很薄很轻的设计，这是主要的优点，适合用于体积要求较高的可穿戴电子设备。

综合上面分析所以我们选择体积小、省电、实用性大的OLED模块。

（6）通信模块

通信方式的选择可以有多种，例如有线传输和无线传输，考虑到用户使用体验，决定采用无线传输方式，而无线传输方式中适合单片机与安卓智能手机通信的有蓝牙通信和WIFI通信。

wifi通信模块适合大数据量的传输，而且传输的速度也较快，最大的的弱点就是功耗高，其稳定性也不够高，而蓝牙技术也比较成熟，在短距离传输方面其稳定性要好，而且其功耗也相对较小，可以很方便的实现点对点通信。

作为我们的智能可穿戴的设备，我们尽可能要寻找低功耗的模块，而且我们的设备主要是传送用户的运动信息，信息量不是很大，所需要传送的距离也不是很大，不需要wifi的无线局域网，我们的要求是能够稳定的传送，所以蓝牙模块是我们比较理想的选择。

五、硬件电路

在硬件的选择上，我们均采用了与arduino开发环境兼容的microduino系