【基于蓝牙的智能穿戴式耳机设计8300字（论文）】

基于蓝牙的智能穿戴式耳机设计摘要：可穿戴设备是近几年来一个非常热门的课题。如何提升人们生活的品质是其未来研究的方向。在崇尚健康生活的今天，越来越多的人喜欢室内健身或者长跑、爬山等户外运动。在这些活动中，音乐为人们创造了一个对属于自己的运动空间。本文研究了智能穿戴产品的发展趋势，基于已经成熟的蓝牙技术，将两者融合，设计一款基于蓝牙的发带式运动耳机。本设计和传统的运动耳机相比，它更适用于运动。本文将介绍蓝牙技术和可穿戴设备的研究状况，并通过51单片机和其他硬件模块举例，来详解发带式耳机内部的硬件设计。关键词：运动与音乐；蓝牙技术；可穿戴设备；发带式耳机；51单片机目录TOC\o"1-3"\t"标题4,1,标题5,5,标题6,6,标题7,7,标题8,8,标题9,9"\h\u25114第一章绪论 1245281.1课题研究背景 1311811.2课题研究目的及意义 1272451.2.1研究目的 1135551.2.2研究意义 1142361.3国内外研究现状 288671.3.1蓝牙技术研究现状 2316141.3.2可穿戴设备研究现状 32635第二章可穿戴设备现状分析 372212.1可穿戴设备定义与分类 3195092.1.1可穿戴设备的定义 3268592.1.2可穿戴设备的分类 3130202.2可穿戴设备发展趋势 516954第三章发带式耳机硬件设计 692743.1功能及总体设计 617583.2整体框架 6230963.3详细设计 6283633.3.1STC89C51单片机 6173773.3.2LCD1062液晶模块 741283.3.3蓝牙模块 9320203.3.4继电器模块 9257443.3.5蜂鸣器模块 10309113.3.6按键模块 106969第四章系统软件设计 1166314.1软件工具的选择 1187014.2开发步骤 116668第五章焊接与运行 11273535.1电路焊接 11204045.2测试运行 11217165.3元器件清单 1215888第六章总结与展望 1375426.1总结 13243556.2展望 139963参考文献 14第一章绪论课题研究背景数十年来，中国经济发展一直稳步向前，逐渐迈入世界前列。科技创新和生产力的发展也推动着中国产业的加速升级。从模仿到创新的转变则是中国产业升级发展的当务之急。创新是未来发展的必然驱动力REF_Ref13579\r\h[2]。随着国内经济的发展，社会竞争日趋激烈。在工作和生活的巨大压力下，人们很容易由于运动缺乏、作息不规律、饮食不合理而亚健康。通过加强健康教育，提高健康意识，人们现在知道了身体健康在生命中的重要性，并重视自己身体的健康状态。于是，户外运动、室内健身逐渐成为一种潮流。而在街道上慢跑、健身房举铁等略显枯燥的锻炼过程中，音乐则是不可或缺的添加剂。音乐不仅是表达人们思想感情和社会现实生活的艺术形式，也是最动人的艺术形式之一。音乐是当今八大艺术之一，它有着传递情感、提高专注力以及能与人们进行感情共鸣等多种功能。音乐能给大脑带来快乐，舒缓紧张情绪，让心灵感到平静，减轻人们在运动中的疲劳，增强兴奋状态REF_Ref9723\r\h[1]。无线蓝牙耳机，作为广大运动人群锻炼时音乐播放器的首选，它的种类经过多次更新换代早已百花齐放。但是现如今的无线蓝牙耳机并不足以完美支持所有运动状况。除了无线蓝牙耳机以外，一些基于蓝牙的专精于运动音乐的可穿戴设备则是对一些情况的完美补充。对于现有的专精于运动的蓝牙智能穿戴设备来说，关于音乐方面还有很大的进步空间，发展创新的前景巨大。课题研究目的及意义1.2.1研究目的蓝牙技术是一种短距离无线数据通信技术。它具有成本低、功耗低的特点，可以快速方便地建立一条特殊的短距离无线通信链路，使人们可以随时随地交换和传输数据信息。近年来，随着蓝牙技术的日益成熟和移动通信技术的广泛普及，各种蓝牙产品层出不穷。蓝牙技术的创新应用没有新的技术障碍。本次课题设计并实现一种更加适用于运动的无线智能穿戴设备，发带式耳机，它正是基于这种技术进行设计。本次设计通过研究国内外蓝牙的智能穿戴设备已经取得的成果，对普通蓝牙耳机进行创新，选择将成熟的蓝牙通讯技术与可穿戴设备结合，设计一种蓝牙发带式耳机，这是专精于运动的头带类运动式智能穿戴设备，并得出一些对于新型运动式智能穿戴设备的研究设计的经验，设计出更符合需求的同种类型的智能穿戴设备。1.2.2研究意义本次课题研究的发带式耳机是基于成熟的蓝牙技术进行创新的。可穿戴设备的体量符合运动类产品的要求，合适的佩戴方式和较小的体积可以减少对运动本身的干扰REF_Ref24908\r\h[9]。戴着它，不论你在大街上晨跑，还是在嘈杂的球场打篮球，亦或是在健身房健身，它都如发带一样牢牢固定在头上，不会像骨传导耳机那样用力夹着脖子，大大提高了舒适感；并因为可拆卸、防尘放水因素不用担心汗水浸湿。与其他耳机相比，更鲜明的特征是不遮耳，在正常收听音乐时也能察觉到危险信号，保护自身的安全。为户外运动人群提供更优质更舒适的运动体验，为运动增添乐趣REF_Ref23990\r\h[8]。对于现有的关于运动的可穿戴设备，专精于音乐方面的少之又少。虽然有运动型蓝牙无线耳机与本次设计产品有部分功能重合的出现，但蓝牙耳机在于运动方面也有一些不能涉及的方向。本次课题通过对蓝牙耳机在运动过程中的作用加以阐述，并与可穿戴设备发带式耳机的优点进行补足。人们可以从与设备的交互中享受更加贴心舒适的服务REF_Ref25825\r\h[10]。国内外研究现状1.3.1蓝牙技术研究现状蓝牙技术最初是一种无线、短距离的电缆替代技术，是实现语音和技术传输的开放性规范REF_Ref3840\r\h[11]。但在过去的二十年里它经历了重大的发展。蓝牙模块目前几乎嵌入到所有的计算设备中，包括个人电脑、智能手机、智能手表，甚至微型控制器。对我们许多人来说，蓝牙已经完全融入了我们的生活，是我们每天都在使用的一项关键技术。蓝牙无线技术于1994年诞生，包括IBM、诺基亚、英特尔、爱立信和东芝在内的主要手机制造商和技术提供商创建了蓝牙特别兴趣小组（SIG）。该小组的目标是为短程无线技术发明一个开放的规范REF_Ref22717\r\h[7]。自SIG成立直到现在，它已经拥有1900多家公司。蓝牙已经有二十多年的历史了，在这期间，蓝牙技术有了长足的发展，蓝牙市场也在以快速的速度持续扩张。蓝牙技术一直能够满足不断增长的无线创新需求。不断发展的蓝牙技术的发展和应用产生了各种蓝牙版本，即1.2、2.0、3.0、4.0、5.0等。每一个版本都带来了比前一个版本更多的改进和优点，并为蓝牙后来的版本升级铺平了道路。蓝牙4.0版本引入了低功耗蓝牙（BLE）或者称为智能蓝牙，提高了设备的续航时间，降低了设备的功耗REF_Ref19787\r\h[5]。目前，智能蓝牙已经被广泛应用于多种健康和健身应用中，包括一些与运动相关的例子，它是物联网的驱动程序。智能蓝牙可以通过其他支持蓝牙智能的设备获得互联网连接，而不是直接连接互联网。这种方法提供了一种更便宜、功耗更低的解决方案。据预测，到2023年，每年将有超过16亿台蓝牙低能耗设备生产出来，90%的蓝牙设备将采用蓝牙低能耗技术。蓝牙5旨在满足物联网应用的需求。通过对低功耗蓝牙无线物理层的多项增强，以及最大发射功率的提升，可以传输更远的距离以及拥有更快的传输速度。蓝牙4.0预计以较低的数据传输速度为代价来支持更大的传输范围，而蓝牙5.0则是用一个新的物理层接口PHY将传输速度提高了一倍（约2兆比特每秒），可更有效地传输大量数据。1.3.2可穿戴设备研究现状可穿戴设备的应用越来越广泛，在教育、通信、导航和娱乐等领域产生了重大影响。可穿戴设备可以全天候感知、收集和上传生理数据，为提高生活质量提供了机会，而单凭智能手机是不容易实现的。可穿戴设备还可以帮助用户执行许多方便有用的小任务，比如及时查看新消息和电子支付等，不用再从口袋里拿出智能手机进行操作。更方便、更自然。可穿戴设备还被用于提供一系列附加服务，如室内定位和导航、身体健康监测、运动分析等。中国可穿戴设备从2010年开始萌芽，然后再2012年迅速成熟。根据调查显示，2014年可穿戴设备市场规模已经达到十多亿美元REF_Ref16976\r\h[4]。2015年生产出的可穿戴设备为8000万台。2016年生产出的可穿戴设备比2015年增长了44.4%，市值为196.33亿美元。IDC发布的报告显示，2020年第二季度中国可穿戴设备市场出货量为2658万台，同比增长4.1%REF_Ref5506\r\h[13]。而到2022年，可穿戴技术市场的市值预计将达到2016年的3倍，576.53亿美元。在过去的几年里，市场上的可穿戴设备不断更新迭代，种类样式繁多，给用户提供了多种不同的功能和穿戴选择。与此同时，有多种关于可穿戴设备研究的期刊论文发表，象征着可穿戴设备的各种研究也在逐渐深入化，普遍化REF_Ref14095\r\h[3]。可穿戴设备现状分析可穿戴设备定义与分类2.1.1可穿戴设备的定义可穿戴设备，即可穿在身上的设备。是和用户日常穿戴的服饰结合的一种便捷式设备REF_Ref19787\r\h[5]。随着智能手机的普及，智能手机在大众的渗透率逐渐达到饱和，我们将见证一个个人移动设备的新趋势——可穿戴移动设备。用户对佩戴一种移动设备越来越感兴趣，可穿戴设备有许多不同的形式和种类，针对不同的应用场景。这种设备有望以智能手机无法实现的方式提高生活质量。这些设备包括智能手表、腕带、智能眼镜、智能珠宝、电子服装、皮肤贴片等等，通常被简单地称为可穿戴设备。2.1.2可穿戴设备的分类本文将现有的智能可穿戴设备分为配饰、电子纺织品、电子贴片三类。我们将配饰定义为用户在外部佩戴的可穿戴设备，不属于主要服装项目的范畴。配饰是目前可穿戴设备市场上最受欢迎的一类设备。这些设备包括智能手表、腕带、智能眼镜、胸带、智能皮带和各种智能服装。配饰1）手腕佩带，顾名思义就是戴在手腕上的可穿戴设备。智能手表：智能手表是带触摸屏的腕带设备，是最流行的可穿戴设备类型之一。通常，当前智能手表的功能是双重的。首先，它们充当通信和通知工具，和执行微交互（如在手机中启动应用程序、有限的网页浏览、添加提醒和执行语音命令）等功能来补充智能手机。其次，大多数智能手表还可以监测一些人体生理信号和生物力学，从而充当健身跟踪设备，帮助用户记录日常活动。腕带：腕带是另一种流行的腕带可穿戴设备。虽然腕带与智能手表有相似之处，但它是专门设计用来追踪一系列健康和健身活动的。因此，与旨在取代传统手表的智能手表相比，大多数腕带没有用于通知的显示屏，或者其外形尺寸有限。2）头戴式装置，是戴在头部或颈部的可穿戴设备。头戴式设备类别中的有两个主要类别，即智能眼镜和耳机耳塞。智能眼镜：智能眼镜包括具有传感、无线通信或其他功能（如虚拟或增强现实）的眼镜或隐形眼镜。耳机和耳塞：蓝牙耳机是第一款消费者可穿戴设备，至今仍是市场上销售最多的可穿戴设备。传统的蓝牙耳机设计用于进行免提通话，而较新的产品能够执行更高级的任务。还有内置传感器的帽子和戴在脖子上的装置。其他配饰在这一类别的配饰下的设备不够主流，没有一个单独的类别。因为这些配饰可能会穿在人体的不同部位，所有这些设备的功能也是多样化和分布式的。智能珠宝：智能珠宝包括智能戒指、项链和发卡等产品。由于它们体积小，与智能手表或腕带提供的通用功能相比，这些设备往往具有特定、集中和有限的功能。带类可穿戴设备：胸带、腰带、臂带（与腕带相比系在上臂上）或配备有健康跟踪传感器或其他功能的膝带被归类为智能带。智能带在监测人体生理信号、生物力学、传感和触觉应用等方面有着广泛的应用。电子纺织品电子纺织品是主要的服装项目，也作为可穿戴的，如智能衣服和智能鞋。电子纺织品要么是由导电纤维和柔性电子电路等导电且穿着舒适的材料制成，要么是带有传统传感、驱动和数据传输模块的普通服装。1）智能服装：智能服装是主要的服装项目，如衬衫，裤子和内衣。有一系列这样的产品用于监测人体生理信号和生物力学。2）手脚穿戴：电子纺织品的另一个分类是智能手脚穿戴，如嵌入传感器的智能鞋、智能袜子和智能手套等。与智能服装类似，智能手脚穿戴设备在监测人体生理信号和生物力学方面也有应用前景。电子贴片我们将电子贴片定义为可以贴在皮肤上或在皮肤上纹身的贴片。电子贴片可以分为两大类。传感器贴片是嵌入传感器的小型设备，电子纹身、电子皮肤是与微型传感器和电路集成的类似皮肤的电子贴片。大量传感器贴片用于监测人体生理信号和生物力学，而其他传感器贴片则用于感官触觉应用。电子纹身、电子皮肤由于其独特的特性，应用范围更广。1）传感器贴片：传感器贴片为监测人体生理信号和生物力学而设计的传感器模块。通常由可重复使用的传感器模块和一次性粘贴的贴片组成。可贴在皮肤上，用于健身跟踪或触觉应用。2）电子纹身/电子皮肤：电子贴片可以以临时纹身或电子皮肤的形式出现。这些纹身利用灵活可伸缩的电子电路来实现传感和无线数据传输。纹身采用柔性可伸缩电子电路，实现传感和无线数据传输。可穿戴设备发展趋势1）可穿戴产品目前的可穿戴设备市场主要是配件，特别是智能手表和腕带。这一趋势可能在未来几年持续。此外，智能眼镜佩戴预计将迅速增长，大量的电子纺织品也会被投放到消费市场。近年来，电子纺织品销售增长趋势明显，2020年电子纺织品的销量与2015年的销售数字相比，有了将近3800%的增长。与之相比，智能手表同期的增长预测仅为249%。随着电子纺织品使用率的预测，我们相信未来将会对电子纺织品进行大量的研究和升级改良，并利用它们来构建新的系统、二次应用场景或增值服务。一方面，与各种类型的智能手表和腕带相比，电子纺织品可以覆盖身体的大部分区域，并且能够进行非侵入性的测量。另一方面，电子纺织品必须穿着舒适，便于洗涤，必须视觉上令人愉悦，并遵循时尚潮流。因此，未来电子纺织品的研究中有一个主要挑战，就是如何在实用性和可用性之间找到一个平衡点。此外，产量的增长使之有了相对较低的价格。蓝牙技术的升级也使可穿戴设备有了更长的续航时间。对产品安全、隐私保护也更加重视REF_Ref22259\r\h[6]。2）与互联网直接通信大多数现有的可穿戴设备通过智能手机或个人电脑与互联网进行通信。早些时候，这是由于硬件资源的限制，许多可穿戴设备没有配备远程通信芯片组，例如WiFi或蜂窝网络。后来，尽管越来越多的可穿戴设备支持WiFi连接，但在可穿戴设备对直接互联网通信的适应方面仍存在很大差距。例如，大多数健身跟踪可穿戴应用程序仍然依赖智能手机与云服务器进行通信。潜在原因可能是可穿戴操作系统缺乏支持，无法实现安全的直接通信，或者第三方可穿戴应用程序的开发增长缓慢。然而，现如今支持蜂窝或WiFi的可穿戴设备不断增加，对可直接连接互联网的设备的需求也在不断增加。3）可穿戴网络一些被调查的可穿戴设备，如Moto360，为用户提供了网络访问。尽管如此，网页目前还没有在可穿戴设备中显示的最佳设计，各种可穿戴屏幕的不同形状和大小使得这一点更加复杂。主要的挑战是如何只从网页中提取最相关的信息，并以用户友好的方式在可穿戴设备中显示，从而轻松地进行交互和导航。4）第三方应用程序和服务可穿戴设备的发展和普及与传感器的发展和应用提供的服务密切相关。如今，大量应用程序仍然是第一方应用程序，即由设备制造商开发的应用程序。第一方应用程序通常提供有限的服务。虽然目前一些可穿戴系统支持第三方应用程序，但与智能手机系统相比，第三方应用程序的数量要少得多。因此，未来可能会出现更多复杂度更高的第三方应用程序。发带式耳机硬件设计功能及总体设计本次设计将会用51单片机和其他硬件模块来搭建发带式耳机中的硬件模型，并阐述各个硬件的具体作用。项目设计围绕单片机展开，主要硬件有五个模块：按键模块、蜂鸣器模块、LCD1062液晶模块、连接功放电路的蓝牙模块和继电器模块。整体框架按键输入电路按键输入电路电源电路单片机Lcd1602液晶显示复位电Lcd1602液晶显示复位电路蓝牙模块蓝牙模块晶振电路晶振电路蜂鸣器提示电路蜂鸣器提示电路继电器驱动电路继电器驱动电路功率放大电路功率放大电路详细设计3.3.1STC89C51单片机原理图：存储代码示例：EEPROM_READ(eep,2);//音量数据存储if(eep[0]==0xA5)//上电读取存储的数据 { vol=eep[1]; LCD_GotoXY(0,0); LCD_Print("dataOK"); delay_ms(300); }3.3.2LCD1062液晶模块功能介绍：LCD液晶显示音量大小，音量值范围0-15。连接线路：VDD、A引脚接VCC，VSS、K接GND，D0-D7接单片机P0.0-P0.7。RS引脚接P2.6，EN引脚接P2.7。V0引脚接3.3k欧姆电阻后和RW引脚接地。代码示例：LCD_GotoXY(0,0); //液晶显示的位置 LCD_Print("Bluetoothplayer");//液晶显示的内容 LCD_GotoXY(0,1);//液晶显示位置 LCD_Print("volume:");//液晶显示内容原理图：流程图：3.3.3蓝牙模块功能介绍：蓝牙音频接收模块实现接收采用外界的蓝牙信号功能。功放电路将蓝牙模块接收到的弱信号放大。电路连线：蓝牙音频接收模块GND接GND，VCC接3.3V，与功率放大电路相连。原理图：3.3.4继电器模块功能介绍：继电器有开关的作用。它有低压控制电路和高压工作电路，用来控制音量。电路连线：两个继电器与VCC电源连接，通过三极管和51单片机的P3.2、P3.3引脚相连，两个继电器相连并且接蓝牙音频接收模块的KEY引脚。原理图：3.3.5蜂鸣器模块功能介绍：在初始化完成时，蜂鸣器会响，提示初始化完成；在按键进行每一次操作后，不论是切歌还是调整音量大小，蜂鸣器都会发出提示。电路接线：蜂鸣器是通用两接口连线，一端接VCC（3.3V或5V），另一端接地。其中接VCC的一段与三极管相连，接入51单片机的P2.0（A8）端口。代码示例： if(vol<3)vol=3; elseif(vol>15)vol=15; //音量限制上下限 vol_last=vol; Beep(200);//提示初始化完成 蜂鸣器响原理图：3.3.6按键模块功能介绍：通过定义按键功能，使之实现音量加减、切歌的功能。电路接线：按键的1、4分别与51单片机的P3.4、P3.5引脚相连；2、3接地。代码示例： key=KeyScan(0); //读取按键值 if(key)//按键等于1 elsevol_last++;//音量- elseif(key==2) //按键等于2 elsevol_last--;//音量+if(key==3)//按键等于3 volUP=1;//上一曲 elseif(key==4) //按键等于4 volDOWN=1;//下一曲原理图：系统软件设计软件工具的选择完成硬件模块的设计和电路的连接，并使用C语言编写程序。程序编写完成后，接着使用Keil-uvision4mdkv4.22进行代码调试。由于C语言在功能、结构、可读性和可维护性等方面比汇编语言更有优势，因此程序采用C语言编写。程序采用Keil-uVision4软件编译和调试。Keil-uVision4软件兼容美国Keil软件公司发布的51系列单片机C语言软件开发系统。它具有灵活的窗口管理系统，该类浏览器窗口显示设备外设的注册信息，可以调试视图，创建和保存多个调试窗口布局，简化项目工作空间。keilc51生成的目标代码效率很高，易于理解，因此在单片机编程中得到广泛应用。开发步骤第一步，安装Keil-uVision4软件，安装路径在D盘，路径名称都设定为英文。第二步，安装完成后开始进行单片机程序的编写。本设计中main.c文件需要用到51单片机、LCD显示屏、按键、延时、蜂鸣器响应的头文件。第三步，对程序进行编译和调试。错误进行修改和调整。焊接与运行电路焊接第一步，进行准备工作。根据原理图，将万能板、单片机模块、蓝牙模块、继电器模块、LCD1062显示屏和一些电阻、三极管做好标记，依次放置。进行万能板的布局，规划好各个元器件的位置以及确定电路的连线。第二步，开始焊接。焊接时要把握时间，注意安全。焊接元器件时，确认引脚及方向的正确。一一比对图纸，固定好硬件模块，按照固定顺序逐步焊接。第三步，对焊接完毕的万能板进行擦拭清理，详细检查各个引脚，确认没有错漏。之后先进行硬件测试，测试成功后开始软件的烧录和编译运行。测试运行设计产品如下图所示。完成电路焊接、代码烧录工作之后，开始测试运行。将设计成品连接电脑电源，LCD显示屏亮起，显示屏上显示“Bluetoothplayer”和音量15,。在手机上找到对应蓝牙接口MH-M18，连接蓝牙。调整音量，蜂鸣器提示。手机播放音频会由喇叭放出声音。测试成功。元器件清单万能板51单片机LCD1602显示屏功放模块蓝牙模块继电器*2蜂鸣器喇叭*2轻触按键*2三极管*3电源线、导线若干、30PF电容、22uf电容10k电阻*3、24k电阻、1k电阻*5总结与展望总结本次设计通过蓝牙技术、51单片机等一些硬件模块和知识，完成了本次产品的设计以及论文的撰写。基于这次产品设计和论文编写的经历，我加强了论文写作的能力。巩固了自己的理论知识，加深了硬件焊接程序编写的能力。但是还有很多不足之处尚待