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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

健身运动是近年来人们非常热爱和重视的活动，人们在物质生活日益满足的今天，对于身体健康也是越来越重视。顺应这样的潮流，各大公司也相继推出各种运动产品，其中运动手环就是近年来新兴的时尚运动产品。人们用运动手环来监控记录日常生活的各种数据，从简单的记录步数，到监测心率，再到记录里程、热量、体脂等信息，手环的功能越来越强大。但是手环功能越多，耗电量也就越多，对电池的性能要求就越高^[1]，同时手环作为一款需要随时为用户提供服务的设备，需要不定时充电也带来了许多不便。近年来，科学家们正在寻找使用新的供能方式来摆脱传统电源的束缚^[2]。

可再生能源是近年来科学家们研究的重点项目之一，其中，太阳能作为一种稳定且用之不竭的清洁绿色可再生能源，每天以 1.210⁵ mw 的能量落在地球表面，具有满足日益增长的世界电力需求的巨大潜力。目前，太阳能转化为电能主要使用光伏发电技术。光伏发电技术是一种直接将太阳光的辐射转化为电能的发电模式, 利用了半导体pn结的光生伏特效应^[3]，常见的太阳能电池板就使用了光伏发电技术。使用太阳能电池板为手环供能可以给手环随时供电，只要有足够的光照，手环就可以一直运行。同时，太阳能电池板占用的体积小，满足运动手环供电所需的太阳能电池板面积比一张公交卡的面积还小，作为运动手环的供能装置不会占用太大的空间，可以将空间留给其他模块使用。此外，太阳能电池板还具有无污染、低成本、稳定性强等优点。但是由于太阳能收集会收到天气、昼夜等环境因素的影响，所以在光照不足的情况下手环需要电池来进行供电。

为了给用户提供日常健身、出行提供便利服务，在运动手环的功能设计方面，本系统设计了集计步、定位、显示时间、抬手亮屏等功能于一体的智能运动手环。该手环包括太阳能电池板、备用电池、gps模块、mpu6050模块、msp430单片机和oled显示屏模块。其中，太阳能电池板为手环提供电能，备用电池在光照不足时供电；gps模块可以收集定位信息与时间信息通过串口传送给msp430单片机，经单片机处理后显示在显示屏上；mpu6050模块同时集成了mems (micro electro mechanical system) 陀螺仪和mems加速度仪，收集用户运动的角速度与加速度信息通过串口传输给单片机，经过单片机处理判断人体运动状态，从而达到计步的目的^[4]-[6]，同时，因为显示屏使用的是oled屏，该屏幕无背光，每个显示单元都可以自发光，所以经过程序设置，只有当运动状态为抬起手臂时，屏幕才会显示数据。

2. 研究的基本内容

本文设计了一种收集太阳能转化为电能供电的智能运动手环，主要涉及到光伏发电技术、gps定位技术、mpu6050空间定位技术等领域。

本毕业设计由单片机msp430、gps定位模块、mpu6050模块、oled显示屏幕、太阳能电池板等部件组成，实现对太阳能的收集转化利用。设计中使用太阳能电池板进行光伏发电，为手环提供能源，在光照不足时打开开关使用备用电池供电。手环功能方面gps模块可以收集经度、纬度信息与本初子午线上的时间信息由串口传送给单片机。mpu6050模块可以收集用户手臂摆动的加速度与角速度信息在通过串口传送到单片机。单片机收集到诸多信息后经过处理，在显示屏上显示时间、位置、步数等数据。而oled显示屏经过程序设计，在用户抬手时再显示数据，可以减少待机状态下的电能消耗。

本设计可以给运动手环增加新的供能方式，收集太阳能转化为电能，摆脱了需要电源充电的烦恼，提高了手环的续航能力，体现了低碳环保的生活理念。同时实现了计步、定位、抬手亮屏等多种智能功能，为人们的日常健身运动提供便利。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

本设计制作的太阳能智能运动手环包括msp430单片机、mpu6050陀螺仪模块、gps定位模块、oled显示模块、电源模块等，其系统原理框图如下图所示。

本设计使用gps atk-neo-7m模块制作定位功能。gps全称global positioning system（全球定位系统），起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。后来经过不断完善，现在已经广泛应用于各个领域。本设计使用的atk-neo-7m模块是技术十分成熟的gps模块，它定位精度高、耗能低，带有micro usb接口方便调试，同时板载陶瓷天线，在空旷处无需外置天线就可搜星，整体来说简单实用。

4. 参考文献

[1] 高一乐.智能运动手环的发展现状分析[j].当代体育科技，2015，33(5):202-204.

[2] 刘思言.可穿戴智能设备市场和技术发展研究[j].现代电信科技,2014(6):20-28.

[3] 上官小英，常海青， 梅华强. 太阳能发电技术及其发展趋势和展望［j］.能源与节能,2019(3)：60-63．