基于stm32的可穿戴设备系统说明书(可穿戴设备系统)大学论文
2016届毕业生毕业设计说明书
题目: 基于STM32的可穿戴设备系统
院系名称：
学生姓名：
指导教师：
2016年05月16日
摘要
“可穿戴设备”是可穿戴技术在日常穿戴产品的设计中的应用，例如手表、眼镜、服装、鞋和手套。广义的可穿戴设备是指功能全、尺寸大，不依赖于智能手机，实现了智能手机全部或部分功能，如智能手表和智能眼镜等，以及只专注于某一类型的应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。随着技术的进步以及用户需求的变迁，可穿戴式智能设备的形态也在不断的变化。穿戴式技术在国际计算机学术界和工业界一直都备受关注，只不过由于造价成本高和技术复杂，很多相关设备仅仅停留在概念领域。本系统以意法半导体公司的基于Cortex-M3 32位高性能单片机
STM32F103ZET6为核心，由GSM模块、GPS模块、MPU6050六轴加速度传感器模块、TFT彩屏、SD卡等组成了一个可穿戴设备系统。该系统实现了万年历、秒表、计步、闹钟、画板、日历、地图等功能。地图获取的图片存放在SD卡中，GUI
图片存放在8M的外置FLASH当中。系统支持全触摸操作。
关键词：可穿戴设备；STM32单片机；TFT彩屏；文件系统；SD卡；GPS地图
Title The Wearable Device System Based on the STM32 Abstract
"The wearable devices" is the application of the Wearable Technology in the Daily wearable Product Design, such as the glasses, gloves, watches, clothes and shoes. Generally,The wearable smart devices including full-featured, large size, do not rely on smart phones to achieve a complete or partial functions, such as smart watches and smart glasses, etc., and only focus on a certain type of application functions, and other devices such as smart phones with the use of various types of conduct such as signs monitoring bracelet intelligent, smart jewelry. As technology advances and the change of user needs, application forms of wearable smart devices are constantly changing. Wearable computer technology has attracted wide attention in the international academia and industry, but due to the high construction cost and technical complexity, a lot of related equipment only is an idea. This system is based on the STM32F103ZET6 as the core which is produced by the STMicroelectronics Cortex-M3 32-bit high performance microcontroller,This system also use GSM module, GPS module, MPU6050 six-axis acceleration sensor module, TFT color screen, SD card and other components.The system has six functions such as the calendar, stopwatch, pedometer, alarm clock, Sketchpad, Calendar, Maps, and other functions. Map Get pictures stored in the SD card, GUI image stored in the external 8M FLASH.The system supports full-touch operation.
Keywords: Wearable device; STM32 microcontroller;TFT color screen;The file system; SD card; GPS maps
目次
1 绪论........................................................ - 1 -
1.1选题背景 (1)
1.2国内外研究现状及意义 (1)
2 设计要求.................................................... -
3 -
3 方案论证.................................................... - 4 - 3.1控制器方案 (4)
3.2显示模块方案 (5)
3.3加速度传感器方案 (5)
4 硬件部分.................................................... - 6 - 4.1单片机. (6)
4.2TFT彩屏 (9)
4.3触摸屏控制芯片 (11)
4.4MPU6050模块 (12)
4.5SD卡 (14)
4.6EEPROM存储器24C02 (15)
4.7FLASH芯片W25Q64 (16)
4.8蜂鸣器电路 (17)
4.9GPS模块 (17)
4.10GSM模块 (19)
5 软件部分................................................... - 21 - 5.1开发工具介绍 (21)
5.2程序框图 (21)
5.3文件系统的移植 (22)
5.4GUI程序的设计 (24)
5.5主要功能的实现原理 (25)
6 系统功能测试与分析......................................... - 38 -
6.1开机主界面测试 (38)
6.2万年历功能测试 (38)
6.3秒表功能测试 (39)
6.4闹钟功能测试 (40)
6.5画板功能测试 (41)
6.6计步功能测试 (41)
6.8测试结果分析 (42)
结论......................................................... - 45 - 致谢......................................................... - 46 - 参考文献..................................................... - 47 - 附录一：系统电路原理图....................................... - 48 - 附录二：部分源程序........................................... - 52 -
1 绪论
1.1选题背景
随着科技的进步，用单片机开发的智能化产品在各个领域得到广泛地应用，它极大地提高了社会生产力水平。加快了工业的发展。可穿戴设备目前已经成为科技发展的热潮，世界各公司在可穿戴设备系统上的投入越来越高，智能可穿戴设备有着众多的优点，包括体积小，功耗低，携带性高、功能强大等等。因此它深受人们的喜爱。另外，由于触摸屏以及各种传感器的引入，使得可穿戴设备迈向高端消费品的行列。可穿戴设备的轻薄和低功耗使其在生活电子产品中脱颖而出。智能的操作系统的应用，让可穿戴设备实现多功能，操作也更加流畅。在众多电子产品中，可触摸的智能可穿戴设备代替传统按键操作的设备，使其功能丰富强大。现代人们的生活越来越离不开智能手机，智能手机给我们提供了丰富的资讯、应用、以及游戏。它给我们带来方便的同时，也使很大一部分人沉迷于智能手机，成为低头一族。因此，开发出一种具备智能手机的基本功能，又不至于使人们沉迷的电子设备就变得非常有意义。
1.2国内外研究现状与意义
从智能手表，到各个厂家的运动手环，再到最近非常流行的VR眼镜，可以看到，可穿戴设备已经融入到了人们生活的方方面，它越发深刻地改变着人们的生活方式，提升着人们的生活质量。下面将主要介绍美国、日本、韩国可穿戴设备行业的发展情况。
1.2.1 国外可穿戴设备发展概况
目前世界范围内可穿戴设备产量迅猛增长，美国是全世界最早提出可穿戴设备的思想和雏形的国家，近年来，Google Glass、Apple Watch 等备受瞩目的可穿戴产品也源自美国的大型知名企业。世界顶级会计师事务所之一的普华永道，近期发布了两份关于可穿戴设备现状及未来发展的报告。报告表明，美国人对可穿戴技术的未来十分乐观，但对现有的技术则缺乏热情。
韩国可穿戴行业发展的主要代表为三星公司。三星公司作为全球最大的智能手机厂商，也是目前为止可穿戴市场最大的推动者。2013 年9 月，三星公司正式发布了其第一款智能手表Galaxy Gear，随后又对其进行更新，推出了Galaxy Gear 2/Fit/Neo。公司自主研发的可穿戴产品还包括曲面屏智能手表Gear S，
它是首款不必连接智能手机就具有上网功能的智能手表，它内置了支持蜂窝数据功能的上网模块。在三星公布的2015 年产业发展规划中，主要集中在可穿戴领域、虚拟现实、智能家居以及在线教育。目前，三星有近万名开发和设计人员都在为即将上市的可穿戴型设备做准备，足以证明三星打算拓宽可穿戴型设备市场的决心。三星公司表明，他们在芯片、存储、屏幕技术等方面的垂直整合能力，将为其带来更多优势。
日本的电子技术发展以索尼、东芝、富士通等行业巨头为典型代表，然而在可穿戴技术发展方面，日本的初创企业比行业巨头表现更为优秀。成立于2013年的日本Logbar 公司是可穿戴技术公司的杰出代表之一，该公司因推出一款名为“Ring”的智能戒指而闻名。将Ring 智能戒指戴在手指上，随意动动手指头便可远程控制智能手机、电视等智能终端设备。同样成立于2013 年的Moff 公司推出了一款利用声音将周围物品全部变成互动玩具的智能腕带。儿童将智能腕带戴在手上后，可以通过蓝牙设备将手环连接到Moff 的IOS 应用程序，实现与智能设备终端的连接，将周围物品变成互动玩具。
1.2.2 国内可穿戴设备发展概况
国内的可穿戴设备已经具备监测、医疗、娱乐、办公、学习、定位等多种功能。随着人们对于自身健康问题的重视度不断增加，消费者在健康方面的诉求使得医疗健康、运动健身类产品市场份额较大。目前，可穿戴设备在医疗健康领域取得了快速发展，可穿戴移动医疗设备市场规模正在不断扩大。在众多的移动医疗产品中，最受欢迎的是为医院和患者提供医疗服务和监测的可穿戴健康产品。国内可穿戴设备融资创业公司大多成立在2013 年，产品集中在手表、手环，应用领域集中在健康、医疗、运动、跟踪定位等。其中，有近一半的可穿戴设备创业公司把发展方向为健康领域。
1.2.3 研究意义
目前，智能手机的功能非常强大，各种应用、游戏让用户应接不暇、不舍得放下手中的手机，低头族由此诞生。而穿戴式设备虽然没有手机那样具有各种聊天工具和游戏软件，但其轻薄便携带的优点是手机不可替代的。避免娱乐类的功能加之以时钟、导航等功能，因此它可帮助人们特别是大学生摆脱对手机的过度依赖。穿戴式设备的便携性也使人们在对一些事务的处理简便快捷，包括GPS定位、时钟、万年历、画板等。
2 设计要求
利用STM32开发板、GSM模块、MPU6050，设计智能可穿戴设备系统，产品功能如下：
(1).万年历(时间可调整)
(2).闹钟(时间可设置、具有懒人叫醒功能)
(3).计时器(可以进行计时，且可以后台运行)
(4).地图(可以进行定位、通过GSM模块的GPRS功能向腾讯地图服务器请求地图信息，模块接收到数据后，进行解析，并将地图显示在LCD屏，也可以通过加减按键进行地图精度的改变)
(5).手势控制(根据手势的变化，在屏幕的画板上显示相应的图像，也可以修改画图的颜色)
(6).记步(可以后台自动运行，一直记录人体行走的步数)
3 方案论证
根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图，如图3.1，然后分别讨论了本系统在控制器、显示模块、以及加速度传感器模块的选择方案。
图3.1 系统原理框图
3.1 控制器方案
方案一：使用51单片机作为主控制器。51单片机以其低廉的价格，简单的操作，俘获了大量的用户，但是反过来看便宜简单往往意味着功能的低端。在本设计中，51单片机就显得力不从心了，它的IO口数量较少，片上外设资源匮乏，而且处理速度也偏低。
方案二：采用STM32F103ZET6作为主控制器。STM32F103ZET6是意法半导体公司推出的一款以Cortex-M3为内核的32位高性能单片机。拥有多达112个IO 口，它以8位单片机的价格，满足了用户32位单片机的需求。
本系统对主控制器的速度有较高要求，速度对本系统的操作流畅度有较大的影响，STM32F103ZET6最大可以达到72MHZ，这是51单片机远不可及的。此外，由于穿戴式设备系统对体积以及功耗要求比较严格，STM32在这两方面做的都比较出色而51单片机无法满足系统的要求。所以选择方案二，采用STM32F103ZET6作为系统的主控制器。
3.2 显示模块方案
方案一：采用12864点阵式液晶。12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。一页共可以显示32个汉字或者64个字符。
方案二：采用搭配ILI9341控制芯片的240x320彩屏。TFT彩屏在消费电子产品中有着广泛的应用，它支持26万色的显示，显示效果十分细腻，此LCD屏使用INTEL的8080接口，STM32F103ZET6带有FSMC功能，支持Intel 8080和Motorola 6800的模式，LCD屏内部的GRAM直接由FSMC控制，实现快速的刷屏。
近些年，随着技术的发展，LCD彩屏的分辨率越做越高，色彩也越来越丰富，显示效果极为细腻。这些优点是点阵式液晶无法超越的。特别是在图片的显示方面，点阵式液晶与LCD彩屏比起来更是相形见绌，无法还原出图片的本来面貌。而且，LCD彩屏还可以支持触屏，方便系统的控制。由于本设计需要用到触摸屏功能以及良好的显示效果，所以综上所述，系统选择方案二，采用TFT彩屏作为显示器件。
3.3 加速度传感器方案
方案一：使用MPU6050加速度传感器模块。MPU6050是一款整合性6轴运动处理组件，它内部带有三轴的加速度传感器、三轴的陀螺仪、并且能通过自身的第二IIC接口连接外部的磁力传感器。将这九轴的数据利用DMP（Digital Motion Processor）进行数据解算，进而就能输出完整的九轴的姿态融合解算数据。利用了DMP进行数据解算，就降低了单片机的负荷，同时缩短了开发周期，降低了开发难度。
方案二：不使用加速度传感器模块。在实现计步功能时可以利用GPS模块记录用户移动距离，根据用户自己设定的步长计算出行走步数。
方案一可以精确地检测到用户行走时在三个轴上的加速度变化，配合算法，识别出用户行走的姿态并记录。但是方案二只能粗略地估算步数，并且算出的步数受GPS模块的精度影响十分大，当用户在室内时由于GPS模块不能很好地接收卫星信号造成无法计步。基于以上考虑，本设计采用方案一。
4 硬件部分
在本系统的设计中使用了许多外围元器件以及模块电路，主要如下：控制器STM32F103ZET6以及最小系统电路、JTAG接口电路、LCD触摸屏模块、MPU6050模块、SD卡、EEPROM存储器24C02、FLASH存储器W25Q64、蜂鸣器、GPS模块、GSM模块。下面将对这些模块分别介绍。
4.1 单片机
4.1.1 STM32F103ZET6概述
STM32F103ZET6是ST公司推出的一款基于Cortex-M3内核的微处理器。STM32具有MCU应用领域的32位处理器的性能，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核单片机。STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
主要特性如下：
（1）.512K片内FLASH（相当于硬盘）,64K片内RAM（相当于内存）,片内FLASH支持在线编程(IAP)。
（2）.Cortex-M3处理器内核，最高时钟频率可达72MHZ。
（3）.12通道直接内存访问控制器（DMA）。
（4）.8个定时器、2个看门狗定时器和RTC实时时钟。
（5）.42个16位的后备寄存器(可以理解为电池保存的RAM),利用外置的纽扣电池,和实现掉电数据保存功能。
（6）.2个CAN总线模块、5个UART通用串行模块、3路SPI接。
（7）.2个I2C总线模块、2个IIS总线模块，12位、16通道AD转换模块。
（8）.支持JTAG,SWD调试。配合廉价的J-LINK,实现高速低成本的开发调试方案。
（9）.多达112个IO(大部分兼容5V逻辑)，144Pin LQFP封装，引脚图如图4.1所示。
图4.1 STM32F103ZET6引脚图
由以上数据可以看出，本系统所选MCU性能十分卓越。无论是传统51单片机或增强型51单片机还是RISC的8位AVR单片机还是16位的MSP430单片机，本处理器在Flash、RAM、工作频率以及外设上具有绝对的优势，性价比较高。
4.1.2 STM32F103ZET6外围电路介绍
(1) 供电系统
电源是电子设备中必不可少的一部分，它为设备提供了能量。STM32F103ZET6电源电压为3.3v，电源芯片采用艾迈斯公司的AMS1117-3.3。AMS1117-3.3是艾迈斯公司推出的具有单输出LDO、固定电源（3.3v）、内部电流限制、过流保护特性的线性稳压器。USB或5V锂电池经过AMS1117-3.3产生3.3V的直流电源供系统使用。C8可以防止电感效应而产生的自激，C12用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。如图4.2为供电系统电路图。
图4.2 供电系统电路图
(2) 晶振振荡电路
STM32F103ZET6有4个时钟源可供使用。分别是内部高速时钟（HSI），内部低速时钟（LSI）、外部高速时钟（HSE），外部低速时钟（LSE）。选择外部高速时钟作为片内时钟来源，主振荡器由OSC0输入管脚输入一个外部单端时钟信号或在OSC0输入管脚和OSC1输出管脚之间连接一个外部晶体。如果主振荡器作为PLL的时钟参考源，那么支持的晶体的频率范围为3.579545MHz-8.192MHz。系统采用8MHz晶振，如图4.3所示：
图4.3 STM32F103ZET6外部晶振振荡电路图
(3) 复位电路
STM32F103ZET6外部复位输入管脚（RST）为低电平有效。按下按键S2能对系统复位。复位电路如图4.4所示：
图4.4 STM32F103ZET6复位电路图
(4) JTAG接口
本系统使用的JTAG接口由5个管脚组成。数据由TDI引脚串行发至控制器，然后通过TDO引脚从控制器串行输出。程序的调试、下载都通过JTAG接口来完成。电路图如图4.5所示：
图4.5 STM32F103ZET6JTAG接口电路
4.2 TFT彩屏
系统采用的彩屏分辨率为240*320，2.８寸。支持262K/65K色，数据位为8/16位可选，控制器为ILI9341。电路连接图如图4.6所示：
图4.6 TFT彩屏电路连接图
TFT彩屏引脚功能如表4.1所示：
表4.1 TFT彩屏引脚功能表
本LCD模块的LCD屏内部集成使用8080接口的ILI9341驱动芯片，对LCD 屏的控制其实是通过控制ILI9341芯片实现的，ILI9341内部的GRAM的每个存