智能登山腕表作品摘要及详细说明书

1 作作 品品 摘摘 要要 作品题目作品题目 智能登山腕表 作品成员作品成员 学学 校校 摘摘 要要 本智能登山腕表分两期产品 一期产品具备高度 气压 温度及时间的 显示 电子指南针 摇动换屏等功能 主要应用于登山 探险等户外活动 二期产品在一期产品的基础上新增 GPS 定位 航迹记录 无线组网通信 紧急时刻报警 危险地带温馨提示等功能 基于新增功能 携带本产品的 人员可轻松获得队友信息 既方便管理 又能在关键时刻及时呼叫和营救 队友 同时本产品也将为景区旅游 野外探险 数字战争等集体户外运动 提供经济实用 方便快捷的新型服务 一期和二期产品均具有功耗低 外 形精巧 可靠性高 价格便宜的等性能优势 市场前景广阔 产品实物图如下 一期产品 2 二期产品 3 作品详细说明书作品详细说明书 作品题目作品题目 智能登山腕表 作品成员作品成员 薛吉星 苗壮 王玉凯 崔赛华 张文娟 学学 校校 河南理工大学 摘摘 要要 本智能登山腕表基于STC单片机 现有两期产品 一期产品 可分为控制模块 传感器模块 显示及报警模块和电源模块 控制模块以 STC89C54为处理器 以DS1302为时钟芯片 传感器模块包括 美新加速度传感 器MXC6202 美新磁场传感器MMC212 Smartec温度传感器16030 敏芯气压传感 器MSPA15A 放大及AD转换电路 传感器模块可采集相应信息 显示模块由小型 lCD构成 可以实现高度 气压 温度及时间的显示 电子指南针 摇动换屏 等功能 二期产品 二期产品在一期产品的基础上进行改进将处理器升级为增强型51单片机 STC12C5A60S2 引入GPS模块 APC220无线模块 本产品内嵌GPS模块可具备显示当前的经纬度 高度 时间数据 前进方向 和速度 记录航迹 危险地带温馨提示的功能 采用APC220 43无线数传模块进行组网通信 采用自创优先级主站授权协 网络覆盖面积大 可靠性高 同一频道的节点设备均可得到其他节点的各种信 息 同一区域又允许多个网络并存 基于新增功能 携带本产品的人员可轻松获得队友信息 既方便管理 又 能在关键时刻及时呼叫和营救队友 同时本产品也将为景区旅游 野外探险 数字战争等集体户外运动提供实用快捷的新型服务 一期和二期产品均具有功耗低 功能强大 外形精巧 可靠性高 价格便 宜的等性能优势 市场前景广阔 4 说明书目录说明书目录 1 作品概述 5 2 基本功能 5 3 设计方案 6 4 可行性分析及性能优势 7 4 1 传感器模块 7 4 1 1 加速度传感器 7 4 1 2 地磁传感器 8 4 1 3 气压传感器 9 4 1 4 温度传感器 9 4 2 显示及报警模块 10 4 3 控制模块 10 4 4 GPS 模块 12 4 5 无线数据传输模块 13 4 6 电源模块 14 5 创新点和解决的问题 14 5 1 摇动轻松换屏 14 5 2 紧急状况自动报警 14 5 3 GPS 定位 15 5 4 优先级主站授权协议组网免费可靠 15 5 5 功能强可靠性高 15 5 6 超低功耗 15 5 智能登山腕表智能登山腕表 1 1 作品概述作品概述 目前 用于登山等户外活动登山表存在功能单一 可靠性不高 使用不便 等缺点 而专用GPS产品因项目投资大 开发周期长 后期运营成本高 价格昂 贵而不能大范围推广使用 为了克服现有的设备价格高 功能不够完善 操作麻烦且无法免费通信的 不足 我们设计了一种新型登山表 该登山表的二期产品既能测出所在地三维 空间信息 又能测出温度 气压 最终通过由无线数传构建的优先级主站授权 无线网络 将信息传输到其他设备上 可为用户实用快捷的服务 本产品的意义在于将传感器网络技术应用到传统的空间信息服务中 既能 获取空间信息又能获取环境参数 还能进行免费通信 此实用新型将革命性的 改变传统的基于位置的服务机制 使作为主体的人 作为客体的真实世界以及 经由网络传输的数字世界三者无缝的结合起来 实现不受任何时间和空间局限 的互动 最终目的是根本性地改变人与数字地球 人与现实世界的交互方式 能够为任何基于空间的作业系统如导航 数字战场 智能交通 旅游 探险 娱乐等提供全新的作业模式 应用领域和应用前景将更加广阔 2 2 基本功能基本功能 本智能登山腕表分两期产品 一期产品基本功能 高度 气压 温度及时间的显示 电子指南针 摇动切换屏幕显示 二期产品新增功能 GPS 定位 航迹记录 免费无线通信 危险地带温馨提示 紧急状况自动报警 6 3 3 设计方案设计方案 本产品主要有六大模块构成 传感器模块 显示及报警模块 控制模块 GPS模块 无线数据传输模块 电源模块 系统结构图如下 控控 制制 模模 块块 GPS 模块模块 无线数传无线数传 模块模块 显示及报警显示及报警 模模 块块 传感器模块传感器模块 电电 源源 模模 块块 系统工作原理 处理器模块将GPS模块 传感器模块采集来的各种信息综合 处理 通过无线数据传输模块将信息传到网络上其他节点上 最后将有用信息 在lCD上显示出来 系统软件流程图如下 开始 系统初始化 读取各模块数据 判断命令 Lcd显示输数据 无线模块收 发数据 存储显示判断存储单元 加速度和磁场传感器检测 7 开始 初始化IIC 发送起始信号 发送从机地址 选择读取的轴向 发送停止信号延时75ms 读芯片 延时72us 取XY轴平均值 输出 4 4 可行性分析及性能优势可行性分析及性能优势 4 14 1 传感器模块传感器模块 传感器模块包含多个传感器下面对其性能及用途分别介绍 4 1 14 1 1 加速度传感器加速度传感器 美新的MEMS加速度传感器采用了其独特的气体热感的原理 具有以下独特 的性能特点 1 可靠性高 抗冲击能力强 50000g 2 低的共振频率和频响 100Hz 3 零点偏差小 4 抗干扰能力强 相比于同类产品 5 产品的一致性 重复性好 6 外形精巧 5mm 5mm 1 55mm 7 工作温度范围 0 to 70 G H 40 to 85 M N 利用美新的MEMS加速度传感器的以上优势 可以使产品更加精确 美新加速度传感器MXC6202加速度传感器测量物体加速度的两个分量Ax Ay 通过多次试验及计算得出登山者在各种情况下手臂摆动时Ax Ay的值 在 软件中设定 使得手摇摆达合适加速度时切换液晶屏幕 8 我们知道人在运动时其手臂加速度是不断变化的 通过判断加速度传感器 传来的值来判断人是否在一定时间内保持不动 若不动这证明人员出了事故 此时我们具有无线通信功能的二期产品就会自动将求救信息发到其他同伴的登 山表上 这样以来就能在紧急状况下实现自动报警 保障出事人员得到及时救 助 由于加速度传感器中一个引脚需要供电电压1 8v 而本设计600mAh锂电池 额定电压为 3 7V 由于锂电池充电后电压能达到 4 2V 而电量接近耗尽时又 会跌到 3 3V 附近 因此我们采用了 1117芯片 用于稳压 输出可以稳定为 3 3V SCL SDA GND 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 U9MXC6202 0 1uF C11VCC GND 1 IN 3 OUT 2 OUT 4 U10 REG1117 2 85 GND VCC 4 1 24 1 2 地磁传感器地磁传感器 该地磁传感器是一款全新的地磁传感器 能够实现数字电子指南针的功能 主要特点 1 精巧外形 5 0mm 5 0mm 0 9mm 2 工作电压 2 7 5 25v 3 工作温度范围 40 85 4 低功耗 0 4毫安左右 5 灵敏度 512counts gauss 使用MEMS美新磁场传感器MMC212测量所在处磁场在X Y方向的分量 通过算 法得到北极方向 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 U8 MMC212 0 1uF C4 1uF C6 10uF C5 0 1uF C7 GND VCC VCC SDA SCL MMC212具有该公司专用的智能方向角校准算法 该算法可以自动校准传感 9 器 同时可以动态地补偿磁干扰引起的误差 能够给用户提供更高的精度及更 便捷的使用 4 1 34 1 3 气压传感器气压传感器 MSPA15A 型压力传感器属于不受限式压力传感器 主要的应用领域包括气 压 海拔等方面 主要特点 1 外形小巧 4mm 3mm 1 9mm 2 工作电压 4V 6V 3 正常工作温度范围 40 to125 4 功耗 1毫安 2毫安 敏芯气压传感器输出电压模拟量 本设计采用12位模数转换器AD7887将模 拟量转化为数字量输出得到气压值 根据H RT gM ln p0 p 中高度与气压的 关系得到高度值 GND VCC AD GND 5 3 2 6 74 8 1 U4 LF356M 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 U5 MSPA15ACS 1 VDD 2 GND 3 AIN1 Vref 4 AIN0 5 DIN 6 DOUT 7 SCLK 8 U7 AD7887 P0 5 P0 6 P0 7 P0 4 VCC GND AD 30K R5 30KR7 1M R3 1M R8 VCC 4 1 44 1 4 温度传感器温度传感器 通过测量Smartec温度传感器输出的PWM波占空比 经过可得到相应的温度 值 温度与占空比存在以下关系 D C 0 320 0 00470 t D C duty cycle t Temperature in 10 4 24 2 显示及报警模块显示及报警模块 本产品采用NOKIA5110手机84x48LCD液晶作为显示模块 该模块广泛应用于各类便携式设备的显示系统 采用串行接口与主处理器 进行通信 接口信号线数量大幅度减少 支持多种串行通信协议 传输速率高 达 4Mbps 可全速写入显示数据 无等待时间 LCD 控制器 驱动器芯片已绑 定到 LCD 晶片上 模块体积小 采用采用低电压供电 正常显示时的工作电流 在 200 A 以下 且具有掉电模式 Q1 8550 LS1 Speaker VCC GND 470 R1 SP 1 2 3 4 5 6 7 8 P1 5110LCD RST SCE D C SDIN SCLK GND VCC LIGHT 本产品选用此LCD即可清晰方便显示所需信息 又能减少不必要的功耗 适 用于长期的出行旅游活动 选用蜂鸣器进行发生 方便提示和报警 4 34 3 控制模块控制模块 本产品采用中国宏晶公司生产的STC51系列单片机作为核心处理器 一期 产品采用常见的STC89C54作为核心处理器 以DS1302为时钟芯片 小按键进 行控制 接线图如下 11 SDA VCC SCL CLOCK INPUT OUTPUT1 CS VCC GND P0 0 P0 1 P0 2 VCC VCC X1 2 X2 3 VCC2 1 GND 4 RST 5 I O 6 SCLK 7 VCC1 8 U2 DS1302S P0 0 P0 1 P0 2 30pF C13 30pF C14 GND 10K R2 10K R10 10KR11 10KR4 10K R6 1 2 U3 DZ GND VCC GND P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 12 Y1 12 Y2 P1 5 P1 5 P1 6 P1 6P1 7 P1 7 P3 0 P3 0 12 U11 12 U12 12 U13 12 U14 GND 1 U17 DQ P1 5 1 P1 6 2 P1 7 3 RST 4 P3 0 RXD 5 P4 3 INT2 6 P3 1 TXD 7 P3 2 INT0 8 P3 3 INT1 9 P3 4 T0 10 P3 5 T1 11 P3 6 WR 12 P3 7 RD 13 XTAL2 14 XTAL1 15 VSS 16 P4 0 17 P2 0 A8 18 P2 1 A9 19 P2 2 A10 20 P2 3 A11 21 P2 4 A12 22 P2 5 A13 23 P2 6 A14 24 P2 7 A15 25 PSEN 26 ALE PROG 27 P4 1 28 EA 29 P0 7 AD7 30 P0 6 AD6 31 P0 5 AD5 32 P0 4 AD4 33 P0 3 AD3 34 P0 2 AD2 35 P0 1 AD1 36 P0 0 AD0 37 VDD 38 P4 2 INT3 39 P1 0 T2 40 P1 1 T2EX 41 P1 2 42 P1 3 43 P1 4 44 U6 STC89C54 二期产品采用增强型51单片机STC12C5A60S2作为核心处理器 该单片机采 用宏晶第六代加密技术无法解密 超强抗干扰能力 速度快 多IO口 双串口 集成AD转换 片内RAM存储量大 支持掉电唤醒功能 超低功耗 适用于电池 供电系统 价格低廉 功能强大 非常适合用于便携设备上 外围存储器采用 AT24c1024 1 048 576bits超大存储 I C数据通信 具有 掉电保护功能 方便存储查询 记录数据 采用五个按键 S1上翻键 S2下翻键 S3选择键 S4返回键 S5 ok键 完成 对探测仪的整体操作 还能通过传感器模块的三轴加速度传感器进行简单换屏 显示 方便快捷 12 S1 SW PB S2 SW PB S3 SW PB S4 SW PB GND P1 5 MOSI ADC5 1 P1 6 MISO ADC6 2 P1 7 SCLK ADC7 3 P4 7 RST 4 P3 0 RXD 5 P4 3 ISCLD TXD2 CCP1 6 P3 1 TXD 7 P3 2 INT0 8 P3 3 INT1 9 P3 4 T0 CLKOUT0 10 P3 5 T1 CLKOUT1 11 P3 6 WR 12 P3 7 RD 13 XTAL2 14 XTAL1 15 GND 16 P4 0 SS 17 P2 0 18 P2 1 19 P2 2 20 P2 3 21 P2 4 22 P2 5 23 P2 6 24 P2 7 25 NA P4 4 26 ALE P4 5 27 P4 1 ECI MOSI 28 EX LVD P4 6 RST2 29 P0 7 30 P0 6 31 P0 5 32 P0 4 33 P0 3 34 P0 2 35 P0 1 36 P0 0 37 VCC 38 P4 2 CCPO RXD2 MISO 39 P1 0 ADC0 CLKOUT2 40 P1 1 ADC1 41 P1 2 ADC2 ECI RXD2 42 P1 3 ADC3 CCP0 TXD2 43 P1 4 ADC4 CCP1 SS 44 U6 STC12C5A60S2 VCC VCC 104 C3 12 U7 KEY 1K R7 10KR8 GND AD 30pF C9 30pF C8 12 Y1 12MHZ P2 1 P2 1 P2 2 P2 2 P2 3 P2 3 P2 4 P2 4 SDA VCC SCL 10K R9 10KR10 OUTPUT EN TXD RXD BOOT EN2 RXD2 TXD2 AUX SET SP EOC SCLR Z Y X P3 4 P3 5 P3 6 NC 1 A1 2 NC 3 GND 4 SDA 5 SCL 6 WP 7 VCC 8 U1 24C1024 SDA SCL VCC GND S5 SW PB P2 7 P2 7 RST SCE D C SDIN SCLK LIGHT 二期产品控制模块 4 44 4 GPSGPS 模块模块 GPS具备定位和授时功能 本产品中内嵌GPS模块接收卫星信号 具备显示 当前的经纬度 高度 时间数据 显示当前的前进方向 速度 记录并显示航 迹的功能 本产品对GPS模块的要求是功耗低 精度高 灵敏度高 定位时间短 适应 复杂环境 体积小 经过对比筛选 可选用C3 470CGPS模块 C3 470C主要特点如下 1 精巧外型 35mm 35mm 3mm 内置天线 便于内嵌在可携式装 置 2 精度高 可搜索多达20个卫星频道 使位置精准度小于10m 3 高灵敏性 155dBm 4 定位时间短 采用GSC3F LP 高性能GPS单芯片 全球定位系统集 成DSP与实时时钟 RTC 的ARM7TDMI处理器和4MB的FLASH存储器 强大的数据 处理能力使更新速率达到1HZ 5 功耗低 整机功耗仅20mA 6 使用范围广 海拔高度高达60 000英尺 与单片机的接口电路如下 13 1 2 3 4 5 6 P1 GPS JCOM C3 470 EN TXD RXD BOOT VCC 本产品外形精巧 不但能精确实现上述功能 而且系统功耗较低 4 54 5 无线数据传输模块无线数据传输模块 本产品对无线数传的要求是传输距离较远 信道多 功耗低 可选用 APC230 43 多通道微功率嵌入式无线数传模块 APC230 43特点 模块采用高效的循环交织纠检错编码 GFSK的调制方式 抗干扰和灵敏度 都比教高 最大可以纠24bits连续突发错误 1800米传输距离 工作频率418 455MHz 1KHz步进 多频道的选择 大于100个频道 USART接口 可在线修 改串口速率 发射功率 射频速率等各种参数 超大的256bytes数据缓冲区 适合大数据量传输 内置看门狗 保证长期可靠运行 与单片机接线电路如下 1 2 3 4 5 6 7 P2 APC220 VCC GND EN2 RXD2 TXD2 AUX SET APC220 43 模块的组网应用 APC220 43 的通信信道是半双工的 可以完成一点对一点 一点对多点的 通讯 这二种方式首先需要设1个主站 其余为从站 所有站点都必须设置一个 唯一的地址 通信的协调由主站控制 主站采用带地址码的数据帧发送数据或 命令 所有从站全部都接收 并将接收到的地址码与本机地址码比较 地址不 同则不做响应 若地址码相同 则将接收的数据传送出去 组网必须保证在任 何一个瞬间 同一个频点通信网中只有一个电台处于发送状态 以免相互干扰 主站通过查询方式将发送权授予从站 等待从站发送通信请求 APC220 43 可 以设置多个频道 所以可以在一个区域实现多个网络并存 本产品自主开发的优先级主站授权协议组网协议 采用单一的点对多点通信协议构建的是星形网络 其组网简单 但网络覆 盖面积小 利用率低 网络可靠性较差 主站故障能导致整个无线网络的瘫痪 14 为了解决上述问题 本产品采用优先级主站授权协议 即提前设置所有站 点的优先级 优先级最高的为核心主站 通过以下方式实现网络功能 I 核心 主站轮询并更新从站的信息 若发现一定时间内没有监听到某一从站A信息 核 心主站查询最后一次收到从站A的信息 找出当前离从站A最后位置最近的从站 B 并将主站权限授予从站B 此时B成为代理主站 任务是监听从站A的信息 监听完毕后 将信息反馈给核心主站 并交还主站权限 II 若从站在一定时 间内没有收到核心主站或代理主站的查询信息即可认为核心主站出了故障 此 时网络中的最高优先级级从站自动转变为核心主站 执行主站权 不再交付主 站权限 既保证了同频道通信条件 又增强了无线网络的覆盖范围 大大提高 了其可靠性与实用性 采用了此种通信协议 同一频道的节点设备均便可得到其他节点的各种信 息 同一区域又允许多个网络并存 应用本设备的旅游 探险 登山等团队可 轻松获得队友信息 既方便管理 又能在关键时刻及时呼叫和营救队友 4 64 6 电源模块电源模块 本产品采用3 7V锂电池为系统供电 其体积小 容量大 可重复使用 是 便携产品的理想供电设备 为防止出行时电池耗尽 在配备备用电池的同时 本产品在设计时还在设 备外壳上加上微型高效太阳能电池板作为辅助电源 在阳光的照射下不断向系 统供电 5 5 创新点和解决的问题创新点和解决的问题 总结上述特点本产品有如下优势 5 15 1 摇动轻松换屏摇动轻松换屏 率先采用两套操作方式 即按键操作和MEMS加速度传感器摇动操作 当登 山者平时使用时可采用按键操作和摇动操作两种方式实现屏幕切换 当登山者 登山时穿着笨重 不方便采用按键操作时可采用摇动操作 智能腕表内处理器 通过测量手腕