基于HT32的戶外探險智能手表設計

何金洋，丁祖焱，陳紅穎，劉泓甫，桂娟

（重慶三峽學院電子工程信息學院，重慶，404199）

0 引言

隨著人們對外出運動和探險需求的提高，一款出行便捷且具有保障的智能設備是必不可少的。目前的智能手表作為現(xiàn)有的較好方案存在著成本較高、功能不夠完善的情況。

本文提出并設計出了一款滿足于戶外探險以及普適日常的智能手表。利用HT32作為控制系統(tǒng)的主控芯片，在HT32收集各個檢測模塊采集的數(shù)據(jù)后，通過軟件算法得出有用的實際信息，并在屏幕上顯示，輔助提示人員安全，有利人們做出更加安全的選擇，為了減少電耗，軟件設計屏幕根據(jù)外界光線的變化進行亮度調(diào)節(jié)，可定時自動關(guān)機或息屏，并配有太陽能板充電，本設計將模塊集成化設計在雙層PCB板上，提高了手表的便攜性，同時，使用防水材料3D打印手表外殼，具有較強的安全穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設計

智能手表系統(tǒng)由七個模塊組成(見圖1)，包括有HT32主控器模塊，穩(wěn)壓供電模塊，環(huán)境信息采集模塊、人體信息采集模塊、小型顯示器模塊、控制模塊。HT32主控器模塊核心為合泰公司生產(chǎn)的HT32系列的微處理器，其收集環(huán)境信息采集模塊采集的氣壓、溫度、有害氣體信息和人體信息采集模塊采集的人體運動姿態(tài)、心率信息進行處理并在顯示模塊中顯示。穩(wěn)壓供電模塊給系統(tǒng)供電并配合主控器模塊實現(xiàn)手表低功耗、開關(guān)機等電源管理。而控制模塊通過電平觸發(fā)控制系統(tǒng)中軟件功能的選擇。

圖1 智能手表系統(tǒng)方框圖

2 硬件與軟件設計

2.1 系統(tǒng)硬件設置

2.1.1 主控器模塊

主控器模塊選用以ARMCortexTM-M3處理器為內(nèi)核的32位高性能低功耗合泰單片機HT32F1656。其可應用Flash加速器在高達72MHz的頻率下工作,獲得最大的效率。它具有32KB的嵌入式SRAM存儲器可供系統(tǒng)操作和應用程序運用，256KB的嵌入式Flash存儲器用作程序和數(shù)據(jù)存儲，具有搭載輕型GUI庫的能力，且該芯片具有靈活性的低功耗方案，有利于野外探險的持續(xù)續(xù)航。

2.1.2 小型顯示器模塊

流暢刷屏成為當下社會屏幕選擇的主流，顯示模塊本設計采用的是ST7789，其IPS為1.14inch，分辨率為135×240，刷新率能達到60Hz，可以流暢顯示。

圖2 顯示模塊原理圖

2.1.3 控制模塊

采用觸發(fā)按鍵，利用按鍵進行人機交互控制手表，按鍵與處理器GPIO口連接通過判斷端口是否為低電平判斷按鍵是否按下。

圖3 按鍵控制電路原理圖

2.1.4 穩(wěn)壓供電模塊

采用可充電鋰電池為手表供電，并設計以TP4056為核心的USB充電電路，具有易充電、易攜帶和高續(xù)航等特點。該模塊具有基于TPS63020設計的電源電路，可對手表的供電系統(tǒng)進行過壓保護。

2.1.5 人體信息采集模塊

2.1.5.1 運動模塊

運動模塊采用內(nèi)部集成了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器的MPU6050傳感器芯片。其具有低功耗、高分辨率等優(yōu)點，有利于手表長時間續(xù)航。微控制器HT32通過軟甲模擬I2C與MPU6050通信進行設置其設置數(shù)據(jù)分辨率和采樣率，并采集MPU6050采集的原始信息進行處理。

圖4

圖5 運動模塊原理圖

2.1.5.2 心率檢測模塊

心率檢測模塊，采用集成了接收機電路、發(fā)射機芯片、輸出引腳、I2C通信模塊、內(nèi)置紅燈和紅外燈的MAX30102心率傳感集成電路。由于接收機電路中內(nèi)置了光敏二極管和低噪聲前置放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過光電容積脈搏波反射法采集心率時可以將采集血管中血液的反射信號在噪聲中加以恢復進行采集。該模塊工作時微處理器HT32通過I2C總線方式和MAX30102心率脈沖計傳感集成電路進行通信，實現(xiàn)對該模塊寄存器的基本配置，通過I2C總線發(fā)送地址命令給MAX30102心率脈沖計傳感集成電路，該集成電路會返回HT32單片機被測用戶PPG信號原始數(shù)據(jù)。采集到的手腕處脈搏的模擬信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換后通過I2C總線傳輸給HT32單片機對信號進行計算得到心律值。

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2.1.6 環(huán)境信息采集模塊

2.1.6.1 溫度、氣壓、海拔檢測模塊

戶外需要對周圍環(huán)境進行探測，以便能夠更好地設定好自己的行程規(guī)劃。本設計采用BMP180模塊直接連接經(jīng)由I2C總線的HT32為主核的微控制器，該微控制器對BMP180采集的數(shù)據(jù)處理顯示到顯示屏中獲得環(huán)境壓力和溫度參數(shù)。BMP180內(nèi)包含有電阻式壓力傳感器、AD轉(zhuǎn)換器和控制單元，其中控制單元含有EEPROM和I2C接口。在EEPROM中儲存了176位單獨的校準數(shù)據(jù)，分為11個字，每個字16位，包含有11個校準系數(shù)，可用于對讀取的溫度壓力值進行補償，并且每個器件模塊都有自己單獨的校準系數(shù)。在每一次計算溫度壓力數(shù)據(jù)之前，BMP180有一個器件的固定地址，出廠時默認其從機地址為0xEE（寫入方向），或0xEF（讀出方向）。溫度數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)都存儲在寄存器的第0到15位之中，壓力數(shù)據(jù)的精度還可擴展至16～19位。

圖6 BMP180傳感器原理圖

2.1.6.2 有害氣體檢測模塊

本模塊采用MQ135有害氣體檢測傳感電路，其核心主要是在安全清潔空氣中電導率較低的二氧化錫氣敏材料。當該傳感器處于污染空氣環(huán)境時，傳感器的電導率會隨環(huán)境中空氣污染氣體的氣體濃度的增加而增大，傳感電路輸出的模擬電壓升高，微處理器通過采集該模擬信號可檢測多種戶外有害氣體。

圖7 MQ135傳感器原理圖

2.2 總體系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 顯示模塊

利用littlevgl小型開源嵌入式GUI庫(簡稱LVGL)，響應式布局，全庫采用純c語言開發(fā)，同步顯示在彩色屏或單色屏上，UI圖片采用AE軟件進行設計。

2.2.2 算法實現(xiàn)

圖8 計步算法流程圖

（2）MAX30102傳感器心率算法實現(xiàn)流程圖如圖9所示。通過MAX30102傳感器獲得被測用戶的PPG信號，在計濾波算法處理PPG信號后，通過加窗算法去除PPG信號的偽峰，并通過峰值法最終檢測用戶的心率值。

圖9 心率計算算法流程圖

（3）BMP180傳感器氣壓計算算法實現(xiàn)流程圖如圖10所示。

圖10 氣壓計算算法流程圖

海拔計算公式:

P：大氣壓強P0：水平面參考壓強

（4） 按鍵控制算法實現(xiàn)流程圖如圖11所示。

圖11 按鍵控制算法流程圖

（5）MQ135傳感器有害氣體檢測算法實現(xiàn)流程圖如圖12所示。

圖12 有害氣體檢測算法流程圖

3 測試

經(jīng)過實體測試，部分數(shù)據(jù)如圖13和表1所示。

圖13 部分模塊綜合測試圖

表1 計步實測結(jié)果

經(jīng)過測試整體設計較為穩(wěn)定，模塊數(shù)據(jù)采集較為精確。

4 結(jié)語

本文研究設計了一種戶外用的探險智能手表，相比于市面上的其他智能手表，新增加了有害氣體檢測等功能，可以有效的輔助戶外人員安全作業(yè)，但目前手表穩(wěn)定性仍有待改善。