1. 研究目的与意义（文献综述）

　　智能手环是一种穿戴式智能设备，可以记录日常生活中的锻炼、睡眠和饮食等实时数据。并将这些数据与ios或者android设备同步，起到通过数据指导健康生活的作用。在国外苹果、摩托罗拉、三星都已经推出了自己旗下的智能手环，各有各的特点和优势收到许多消费者的青睐。在国内也有360，华为等公司也发布了自己的智能手环。并且根据不同的使用者，大体分为成人智能手环、老人智能手环和儿童智能手环以及运动手环。不同类型的手表性能也有所不同。智能手环的真正爆发是在2012年，直到这个时候，随着互联网、软件、硬件都发展到了一定阶段，并促成技术大爆发智能，手环才真正有了壮大的土壤和足以被消费者接受的理由，真正走进了普通人的生活。智能手环发展势头十分迅猛，苹果、三星、谷歌、摩托罗拉等科技巨头近几年都发布了自己的智能手环想要抢占先机。虽然现阶段智能手环的发展还处于初级阶段，还有很多东西需要需要改进优化，但可以看出智能手环有着很大的发展前景。随着可穿戴设备越来越广泛的被人们接受，智能手环有机会凭借其智能、轻便、实用从中脱颖而出。

　　智能手环运动监测功能通过重力加速传感器实现。传感器通过判断人运动的动作得到一些基础数据，再结合用户之前输入的个人身体体征的基本信息，根据一些特定算法，得到针对个人的个性化监测数据，诸如运动步数、距离以及消耗的卡路里等，从而判断运动的频率和强度。由于每个人运动随个人身体体征的不同而产生不同的效果，因而用户在使用手环进行监测前需要在app中录入自己的性别、年龄、身高、体重等信息，信息自动同步到手环中，通过传感器监测运动动作，经过特定算法最终实现运动监测的功能。

　　智能手环具有强大的功能，具有计步器的一般计步，测量距离、卡路里、脂肪等功能，同时还具有睡眠监测、高级防水、蓝牙4.0数据传输、提醒等特殊功能。以睡觉为例，起床后将它与智能手机app数据同步，便可看到您的睡眠时间、清醒时间、深睡／浅睡、整体的睡眠质量等信息。而对于减肥和健身的人来说，智能手环是一个负责的私人教练，可以告诉您每天的运动路径、消耗卡路里和摄入热量。还可以设置运动目标，如要走多少步、消耗多少卡路里等，还会实时地显示运动的完成率．运动减肥都可以量化，对于不能坚持的人来说是一大福音。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

　　·低功耗蓝牙射频及处理器并进行电路设计；

·学习加速度传感器及运动检测的原理并进行电路设计；

·学习充电管理电路相关知识并进行电路设计；

·学习锂电池保护电路相关知识并进行电路设计；

·学习电池电量监测电路相关知识并进行电路设计；

·学习DC/DC转换电路相关知识并进行电路设计；

·学习震动马达及驱动电路相关知识并进行电路设计；

·整体电路设计及仿真。

技术方案

　　手环的PCBA部分，主要包括一颗集成BLE功能的MCU，以及由MCU控制的各种外设：

　　·蓝牙射频电路；

　　·使用SPI接口的G-sensor；

　　·使用GPIO的LED灯；

　　·使用GPIO的普通马达驱动电路；

　　·外部复位电路。

系统结构图如图表1所示：

MCU和蓝牙模块

　　Nordic Semiconductor nRF51822是一款功能强大、多协议单芯片SOC，非常适非常适用于蓝牙低功耗和其他2．4 GHz协议应用。本设计中nRF51822包含低功耗蓝牙协议栈、运动识别的算法以及各项功能的实现。nRF51822使用一个16MHz的外置高频晶振和一个32.768kHz的外置低频晶振。芯片内部有32.768KHZ的RC振荡器，但是因为振荡器的精度无法满足计时要求，所以我加入了外部低频晶振，占用了2个PIN脚（P0.26、P0.27）。

G－sensor模块

　　G—sensor中文是重力传感器的意思(英文全称为Gravity—sensor)，它能够感知到加速力的变化，加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，如晃动、跌落、上升、下降等各种移动变化都能被G—sensor转换为电信号，电信号通过A／D转换为数据，然后通过微处理器读取并进行分析计算后，可以对物体的运动及状态做出分析，并执行相应的功能。

电量检测模块

　　电池的电量和电压有对应关系，系统只要检测到电池电压，即可映射成电池剩余电量。

　　电池电压在0-4.2V之间变化，经过四分之一的分压电路，输出电压会在0-1.05V之间变化。充分利用了nRF51822的ADC量程0-1.2V，并联的电阻用于稳定电压值。电池接入瞬间，大约半秒时间即可完成电容充电，输出的测量电压才是稳定的正确值，所以ROM初始化代码中需要延时一秒后采集电池电压。

充电电路模块

　　该模块能够向MCU提供是否正在充电和是否插入充电器的信息（大多数充电ic不提供后者信息）。充电电流可控，预充电比例可控。

输入信号的TVS管（D2）用于静电保护，齐纳二极管（D3）用于反插保护：一旦电源接反，电流从D3旁路出去，不损坏系统。一旦电源接反，电流从D3旁路出去，不损坏系统。

系统电源模块

　　为了提高效率，系统电压应该越低越好，而马达的正常工作电压是3V，LED最低工作电压2.8V，其他IC的最低系统电压是1.8V。因此最终确定的系统电压是2.8V。传统LDO的静态功耗有优势，但是输入-输出压差越大，效率越低。电池电压如果是3.9V，输出电压为2.8V，效率为2.8/3.9=71%；DCDC静态电流大，但是输入电流在1mA以上时，效率能够达到90%以上。

电池保护模块

　　电池保护电路控制了电池负极和系统地的连接，一旦电流过大、电池电压过低，则中断连接，保护电池。

　　电池保护电路一般放置在电池中，因为手环的锂电池容量尺寸很小，放在电池中，对电池尺寸和整个手环尺寸影响很大。所以我们的设计中把保护电路放在PCBA上，利用剩余空间。

马达控制模块

　　智能手环中内置用于提示的振动马达，因为马达的导通电流可能高达100mA，不能通过GPIO直接供电控制（驱动电流不够），所以使用一个MOS管作为功率放大电路。串联的24欧姆电阻用来调节马达震动强度，减少功耗。MOS管输入端的下拉电阻是保证在重启瞬间马达保持静止，因为芯片上电后引脚为高电平，MOS处于导通状态，从而使马达存在短暂的震动。

技术路线

操作系统： windows7

开发工具：Keil uVision4.0

Nordic SDK 版本: 4.4.2

SoftDevice 版本：5.2.1

3. 研究计划与安排

第5至8周，完成总体方案设计与论证。

第9至14周，完成系统各模块的具体设计，完成仿真与实物制作，实现软硬件联调。

第15至16周，完成毕业设计论文撰写。

4. 参考文献（12篇以上）

［1］samsungelectronics.s3c6410x_um_rev[eb/ol]．2010

［2］internet reference ：bisg.specification of the bluetooth system (core) version1.2, 45 (4) : 233-311．2011

［3］g.c.hua, f.c.lee. softswitching technique in pwm converter[j].ieee trans. on industrial electronics 995,42(6):595-603．2013