2020電賽A題無線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)資料

方案一：利用AT89C51作為主控制器，AT89C51是低功耗，高性能的CMOS8位單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是使用方便，應(yīng)用范圍廣，控制簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)便宜，缺點(diǎn)是需外加ADS1118進(jìn)行AD采樣，ADS1118是一款高精度的低功耗16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），集成了可編程增益放大器（GPA）、電壓基準(zhǔn)、振蕩器和高精度溫度傳感器，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)每秒860次采樣才能滿足題目要求，同時(shí)增加了硬件和軟件的難度，且處理速度稍慢，精度不高。

方案二：利用STM32F103微處理做內(nèi)核，STM32是一個(gè)低功耗，高性能32位單片機(jī)，在功耗方面，該單片機(jī)具有三種模式相互切換，可以使功耗達(dá)到最低。具有32位的RISC內(nèi)核,工作頻率為72MHz ,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器,豐富的增強(qiáng)I/O端口和兩條APB總線的外設(shè),采用STM32內(nèi)部的12位ADC就可滿足題目要求,內(nèi)部12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它有高達(dá)18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描、或間斷模式執(zhí)行，ADC采樣存儲(chǔ)在16位寄存器中。其優(yōu)點(diǎn)為精度高，外部電路簡(jiǎn)單，軟件編程簡(jiǎn)潔價(jià)格實(shí)惠，性能指標(biāo)優(yōu)良。

綜上所述，微處理器選擇STM32。

方案一：使用三軸加速度傳感器LIS3DH檢測(cè)被測(cè)者的運(yùn)動(dòng)步數(shù)及距離，該芯片具有超低耗，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)節(jié)能，智能睡眠喚醒以及恢復(fù)睡眠功能，特點(diǎn)是測(cè)試可以帶溫度，具有三軸數(shù)字輸出功能，精度高，穩(wěn)定性好，尺寸小，功耗低等。

方案二:采用9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器MPU6050作為加速度傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，設(shè)置加速度計(jì)可測(cè)范圍為土16g。其特點(diǎn)是低功耗、尺寸小、自帶數(shù)字溫度傳感器，精度高，9軸運(yùn)動(dòng)處理功能等。

考慮到人在運(yùn)動(dòng)中會(huì)改變運(yùn)動(dòng)方向，不確定方向較多，且MPU6050性能指標(biāo)好，性價(jià)比高，因此在本次設(shè)計(jì)中選用MPU6050。

如今應(yīng)用較為廣泛的近距離無線傳輸通信技術(shù)有藍(lán)牙技術(shù)、藍(lán)牙等，各種近距離無線通信都有其自己的特點(diǎn)。

方案一：選擇藍(lán)牙傳輸模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送到PC端，藍(lán)牙模塊為HC05模塊，HC05是一款主從一體，短精度，低成本的無線連接模式，可以實(shí)現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性接口系統(tǒng)，通信范圍10m之內(nèi)，可以達(dá)到1Mbps傳輸速率，傳輸速率高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

方案二：基于藍(lán)牙連接傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，藍(lán)牙模塊為ESP8266,可使用5V直流供電，體積小，功耗低，支持透?jìng)髂Ｊ剑瑏G包現(xiàn)象不嚴(yán)重。ESP8266可以配置成station(即client模式)，AP（即藍(lán)牙熱點(diǎn)模式），station+AP三種模式，同時(shí)該模塊還支持tcp傳輸，既可以配置tcp server也可以配置成tcp client。可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多模式.

在綜合考慮后，軟件編程簡(jiǎn)單，且可使用手機(jī)端APP互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，因此選擇藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

由于考慮到心電模塊在使用時(shí)要保證心電信號(hào)穩(wěn)定的前提，因此心電模塊選擇STM32F103微處理做內(nèi)核，考慮到無線傳輸?shù)姆�(wěn)定性以及客觀因素，選擇基于藍(lán)牙的傳輸模式，在運(yùn)動(dòng)步數(shù)測(cè)量過程中，追求高精度以及轉(zhuǎn)身等測(cè)量效果，因此選用MPU6050。圖1為總體方案圖，

因此總體方案為采用ADS1292傳感器測(cè)量人體的心電信息;采用LMT70測(cè)量被測(cè)者體表的溫度，傳感器加外圍放大電路，經(jīng)過32內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行模擬到數(shù)字量的變換，再利用STM32處理數(shù)據(jù)；采用MPU6050作為加速

度傳感器用于測(cè)量人的運(yùn)動(dòng)信息;最終以STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控制器，將采集到的數(shù)據(jù)送到微處理器中進(jìn)行處理；并利用藍(lán)牙無線通信技術(shù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器電腦上，顯示體表溫度、基本心電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)步數(shù)及距離的顯示。

ADS1292R是低功率、多通道、同時(shí)采樣、具有集成可編程增益放大器(PGAs)的24位deltasigma (E)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)。該芯片集成了各種特定于心電圖的功能，非常適合可伸縮的心電圖、運(yùn)動(dòng)和健身等應(yīng)用程序。該設(shè)備還可以用于高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過降低ECG特定電路的電源。ADS1292R具有高度可編程多路復(fù)用器，可用于溫度供應(yīng)、輸入短和RLD測(cè)量。此外，多路復(fù)用器允許將任何輸入電極編程為患者參考驅(qū)動(dòng)器。設(shè)備中的ADC提供從125SPS到8 kSPS的數(shù)據(jù)速率。與設(shè)備的通信是使用一個(gè)兼容spli的接口完成的。該設(shè)備提供了兩個(gè)通用用途的I/O (GPIO)引腳，使用啟動(dòng)引腳可以同步多個(gè)設(shè)備。

在心率測(cè)量時(shí)，AD采樣取心電圖的最高值和最低值，求一段時(shí)間內(nèi)心電圖采樣的平均值，取在一段時(shí)間內(nèi)概率最大的最高值和最低值，采用計(jì)數(shù)器和寄存器計(jì)算出心率一個(gè)周期內(nèi)的心跳值，求其平均值并通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

ADS1292采樣點(diǎn)并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，經(jīng)過曲線顯示，繪制出心電圖。下圖1位ADS1292內(nèi)部原理圖。

LMT70是一個(gè)超小，高精度低功率CMOS模擬溫度傳感器，它包括一個(gè)輸出開關(guān)，由數(shù)字輸入的T控制。輸出開關(guān)使多路復(fù)用到一個(gè)ADC輸入，從而擴(kuò)展

ADC輸入多路復(fù)用器的能力該溫度傳感元件由簡(jiǎn)單堆疊的BJT基發(fā)射極結(jié)組成，這些基發(fā)射極結(jié)由電流源偏壓。在連接到輸出開關(guān)之前，溫度傳感元件由一個(gè)精密放大器緩沖。輸出放大器有一個(gè)簡(jiǎn)單的AB類推拉輸出級(jí)，使器件能夠容易地源和匯聚電流。LMT70功能框圖如下圖1所示。

(1)計(jì)算坡度：

                （式1）

(2)計(jì)算y截距b:

                            （式2）

(3)計(jì)算在20°C至30°C范圍內(nèi)測(cè)量的溫度()的公式為:

                                    （式3）

由上述計(jì)算可以看出，TM的單位為℃，VTAO的單位為V。

采用MPU6050六軸傳感器作為信號(hào)檢測(cè)元件。MPU6050并不單單是一款傳感器，其內(nèi)部還包含了可以獨(dú)立完成姿態(tài)解算算法的處理單元。MPU6050內(nèi)部集成的處理單元DMP，可以直接運(yùn)算出四元數(shù)和姿態(tài)，而不再需要另外進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP的使用大大簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)信息的代碼設(shè)計(jì)。由DMP實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算算法將單片機(jī)從算法處理的壓力中解放出來，單片機(jī)所要做的是等待DMP 解算完成后產(chǎn)生的外部中斷，在外部中斷里去讀取姿態(tài)解算的結(jié)果。這樣單片機(jī)有大量的時(shí)間來處理諸如電機(jī)調(diào)速等其他任務(wù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在該系統(tǒng)中，只用X軸進(jìn)行步數(shù)的采集。

MPU6050傳感器的檢測(cè)軸如圖3所示，圖中標(biāo)明了傳感器的參考系坐標(biāo)以及三個(gè)測(cè)量軸和旋轉(zhuǎn)方向，旋轉(zhuǎn)的正向可以用右螺旋法則來確定。

圖5為ADS1292內(nèi)部集成右腿驅(qū)動(dòng)（RLD），外部只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的電路便可以設(shè)計(jì)成右腿驅(qū)動(dòng)電路，下圖為ADS1292芯片手冊(cè)上的推薦電路，至此RLD電路便完成，RLD電路設(shè)計(jì)的目的是降低ECG系統(tǒng)的共模干擾，提供了一個(gè)電壓抬升，將測(cè)量電壓抬升到（AVDD+AVSS）/2左右，保證了輸入電壓是在芯片的檢測(cè)范圍內(nèi)通過配置可將任意一路輸入連接在右腿驅(qū)動(dòng)電路中，形成負(fù)反饋。

圖5為心電檢測(cè)的濾波電路。由于心電信號(hào)一般在100Hz下，對(duì)于高頻的檢測(cè)呼吸的方波是可以通過ADS1292R里面EMI電路濾掉的，在該模塊中，呼吸與心電檢測(cè)可同時(shí)進(jìn)行。

1292整體設(shè)計(jì)電路如下圖所示

因?yàn)長(zhǎng)MT70在20℃到50℃為基本線性區(qū)域，對(duì)應(yīng)的電壓值為991~838mV，為增大分辨率，將電壓值通過基準(zhǔn)電壓和放大電路轉(zhuǎn)換成0~3.3V輸出，再根據(jù)實(shí)際輸入電壓與放大后的電壓值進(jìn)行比較，求出相對(duì)應(yīng)的溫度，然后通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端的 手機(jī)端APP平臺(tái)。圖9為電壓放大電路。

步頻測(cè)量：由于人體運(yùn)動(dòng)時(shí)四肢擺動(dòng)會(huì)產(chǎn)生加速度，故通過6050六軸傳感器測(cè)量產(chǎn)生在四肢上的加速度。經(jīng)測(cè)量比較運(yùn)動(dòng)時(shí)腿部腳踝處加速度較為穩(wěn)定。在空間中XYZ三個(gè)方向上，腿的前后擺動(dòng)使得X軸方向上加速度變化量最大，波形明顯，便于測(cè)量與觀察,。波形為類正弦波。理論上測(cè)量正弦波頻率即可測(cè)得步頻。為了削弱噪音干擾，通過算法實(shí)現(xiàn)波形整形，可有效讀取正弦波的波形周期與頻率。

運(yùn)動(dòng)距離測(cè)量：運(yùn)動(dòng)方向可由6050傳感器XYZ軸三個(gè)角度融合為歐拉角得出。加速度方向與大小可由三個(gè)方向的加速度向量相加得出,三軸整合可以求出是否轉(zhuǎn)彎等細(xì)節(jié)問題。但是若用此方法測(cè)得運(yùn)動(dòng)距離涉及到大量復(fù)雜的公式計(jì)算。由生活經(jīng)驗(yàn)可知，不同年齡，性別，身高的被測(cè)人員，在步頻不同的情況下均有不同的步幅長(zhǎng)度。故方法改進(jìn)為：通過測(cè)量不同的步頻，以及輸入被測(cè)者的年齡性別身高等數(shù)據(jù)；乘以測(cè)量步數(shù)即可獲取被測(cè)者的運(yùn)動(dòng)距離。

該系統(tǒng)總共包括以下幾個(gè)部分，心電圖的數(shù)據(jù)采樣存數(shù)組ANU_BUFF中，心率采樣，溫度采樣，步數(shù)采樣，步長(zhǎng)計(jì)算等數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)诫娔X上，并將心電圖顯示在電腦屏幕上。圖9為系統(tǒng)軟件框圖。

心電采集通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，如圖所示STM32單片機(jī)軟件流程圖，在主函數(shù)中通過開關(guān)機(jī)判斷，8055藍(lán)牙配置，ADS1292配置一系列初始化設(shè)計(jì)，等待腳，然后單片機(jī)通過I2C讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)，通過UART發(fā)送到藍(lán)牙串口模式，藍(lán)牙串口模塊將各個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送帶主藍(lán)牙 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，從而完成心電采集與無線傳送功能

圖 12STM32軟件流程圖                圖 13LMT70核心算法流程圖

溫度代碼

心電采集代碼

運(yùn)動(dòng)量統(tǒng)計(jì)算法

使用心電信號(hào)模擬儀SKX-2000模擬輸出人體的標(biāo)準(zhǔn)心率，設(shè)置的心率范圍為10-200bpm，輸出的信號(hào)幅度固定，有15秒的數(shù)據(jù)緩沖處理時(shí)間，測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示：

輸出實(shí)時(shí)心電圖如下圖所示

人體正常心率為60-100bpm,測(cè)試中輸入50-180bpm的心電信號(hào)均能正常測(cè)量且相對(duì)誤差在允許范圍之內(nèi)，通過測(cè)量以及誤差計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)心電頻率測(cè)量值在誤差范圍之內(nèi)，且能通過服務(wù)器端實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)心電圖，符合題目要求。通過測(cè)試及誤差計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)心電頻率測(cè)量值在誤差范圍內(nèi)，但不能在服務(wù)器中顯示。

用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后，發(fā)現(xiàn)在20℃到50℃時(shí)呈一次線性關(guān)系，通過擬合可以看出斜率為-9.17，與Y軸截距為50.48。如下圖所示：

實(shí)際測(cè)量人體的溫度，多人測(cè)量手掌心，跟水銀體溫計(jì)相比，誤差范圍在1℃。

由上述表中可知，溫度值與電壓值基本成線性關(guān)系，后期采用多人測(cè)溫與溫度計(jì)比較時(shí)，溫度誤差范圍小于1℃，滿足題目要求。

4.3.2測(cè)試結(jié)果分析

這款無線運(yùn)動(dòng)傳感器采用ADS1292芯片及外圍電路實(shí)現(xiàn)使用者心電圖的采集計(jì)算出心率，采用LMT70芯片及LM358放大電路實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的采集與處理，再利用MPU6050實(shí)時(shí)測(cè)量使用者的步數(shù)及步長(zhǎng)，將數(shù)據(jù)采集好之后用藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送到 手機(jī)端APP平臺(tái)。

在該過程中，硬件可以實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的穩(wěn)定輸入，減少干擾，軟件可實(shí)現(xiàn)AD采樣，數(shù)據(jù)信息的采集、處理、保存以及傳輸，用戶也可以在手機(jī)端或手機(jī)端平臺(tái)訪問并查看歷史數(shù)據(jù)。

未來也可以提高步數(shù)的精度，做成可攜帶穿戴柔性，因?yàn)锳DS1292是六維的，未來可以運(yùn)用在運(yùn)動(dòng)員身上，或者用于老人身上來觀察他們的生理指標(biāo)，以防老年人發(fā)生意外事故。

以上的Word格式文檔51黑下載地址：

2020電子競(jìng)賽設(shè)計(jì)51hei2(1).docx (469.52 KB, 下載次數(shù): 95)

2020-11-2 21:10 上傳

點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5

各模塊接線圖（4線OLED）.PDF (105.32 KB, 下載次數(shù): 72)

2020-11-2 21:08 上傳

點(diǎn)擊文件名下載附件
下載積分: 黑幣 -5