基于HT32的户外探险智能手表设计

何金洋，丁祖焱，陈红颖，刘泓甫，桂娟

（重庆三峡学院电子工程信息学院，重庆，404199）

0 引言

随着人们对外出运动和探险需求的提高，一款出行便捷且具有保障的智能设备是必不可少的。目前的智能手表作为现有的较好方案存在着成本较高、功能不够完善的情况。

本文提出并设计出了一款满足于户外探险以及普适日常的智能手表。利用HT32作为控制系统的主控芯片，在HT32收集各个检测模块采集的数据后，通过软件算法得出有用的实际信息，并在屏幕上显示，辅助提示人员安全，有利人们做出更加安全的选择，为了减少电耗，软件设计屏幕根据外界光线的变化进行亮度调节，可定时自动关机或息屏，并配有太阳能板充电，本设计将模块集成化设计在双层PCB板上，提高了手表的便携性，同时，使用防水材料3D打印手表外壳，具有较强的安全稳定性。

1 系统总体设计

智能手表系统由七个模块组成(见图1)，包括有HT32主控器模块，稳压供电模块，环境信息采集模块、人体信息采集模块、小型显示器模块、控制模块。HT32主控器模块核心为合泰公司生产的HT32系列的微处理器，其收集环境信息采集模块采集的气压、温度、有害气体信息和人体信息采集模块采集的人体运动姿态、心率信息进行处理并在显示模块中显示。稳压供电模块给系统供电并配合主控器模块实现手表低功耗、开关机等电源管理。而控制模块通过电平触发控制系统中软件功能的选择。

图1 智能手表系统方框图

2 硬件与软件设计

2.1 系统硬件设置

2.1.1 主控器模块

主控器模块选用以ARMCortexTM-M3处理器为内核的32位高性能低功耗合泰单片机HT32F1656。其可应用Flash加速器在高达72MHz的频率下工作,获得最大的效率。它具有32KB的嵌入式SRAM存储器可供系统操作和应用程序运用，256KB的嵌入式Flash存储器用作程序和数据存储，具有搭载轻型GUI库的能力，且该芯片具有灵活性的低功耗方案，有利于野外探险的持续续航。

2.1.2 小型显示器模块

流畅刷屏成为当下社会屏幕选择的主流，显示模块本设计采用的是ST7789，其IPS为1.14inch，分辨率为135×240，刷新率能达到60Hz，可以流畅显示。

图2 显示模块原理图

2.1.3 控制模块

采用触发按键，利用按键进行人机交互控制手表，按键与处理器GPIO口连接通过判断端口是否为低电平判断按键是否按下。

图3 按键控制电路原理图

2.1.4 稳压供电模块

采用可充电锂电池为手表供电，并设计以TP4056为核心的USB充电电路，具有易充电、易携带和高续航等特点。该模块具有基于TPS63020设计的电源电路，可对手表的供电系统进行过压保护。

2.1.5 人体信息采集模块

2.1.5.1 运动模块

运动模块采用内部集成了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器的MPU6050传感器芯片。其具有低功耗、高分辨率等优点，有利于手表长时间续航。微控制器HT32通过软甲模拟I2C与MPU6050通信进行设置其设置数据分辨率和采样率，并采集MPU6050采集的原始信息进行处理。

图4

图5 运动模块原理图

2.1.5.2 心率检测模块

心率检测模块，采用集成了接收机电路、发射机芯片、输出引脚、I2C通信模块、内置红灯和红外灯的MAX30102心率传感集成电路。由于接收机电路中内置了光敏二极管和低噪声前置放大器以及模数转换器，通过光电容积脉搏波反射法采集心率时可以将采集血管中血液的反射信号在噪声中加以恢复进行采集。该模块工作时微处理器HT32通过I2C总线方式和MAX30102心率脉冲计传感集成电路进行通信，实现对该模块寄存器的基本配置，通过I2C总线发送地址命令给MAX30102心率脉冲计传感集成电路，该集成电路会返回HT32单片机被测用户PPG信号原始数据。采集到的手腕处脉搏的模拟信号，数模转换后通过I2C总线传输给HT32单片机对信号进行计算得到心律值。

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2.1.6 环境信息采集模块

2.1.6.1 温度、气压、海拔检测模块

户外需要对周围环境进行探测，以便能够更好地设定好自己的行程规划。本设计采用BMP180模块直接连接经由I2C总线的HT32为主核的微控制器，该微控制器对BMP180采集的数据处理显示到显示屏中获得环境压力和温度参数。BMP180内包含有电阻式压力传感器、AD转换器和控制单元，其中控制单元含有EEPROM和I2C接口。在EEPROM中储存了176位单独的校准数据，分为11个字，每个字16位，包含有11个校准系数，可用于对读取的温度压力值进行补偿，并且每个器件模块都有自己单独的校准系数。在每一次计算温度压力数据之前，BMP180有一个器件的固定地址，出厂时默认其从机地址为0xEE（写入方向），或0xEF（读出方向）。温度数据和压力数据都存储在寄存器的第0到15位之中，压力数据的精度还可扩展至16～19位。

图6 BMP180传感器原理图

2.1.6.2 有害气体检测模块

本模块采用MQ135有害气体检测传感电路，其核心主要是在安全清洁空气中电导率较低的二氧化锡气敏材料。当该传感器处于污染空气环境时，传感器的电导率会随环境中空气污染气体的气体浓度的增加而增大，传感电路输出的模拟电压升高，微处理器通过采集该模拟信号可检测多种户外有害气体。

图7 MQ135传感器原理图

2.2 总体系统软件设计

2.2.1 显示模块

利用littlevgl小型开源嵌入式GUI库(简称LVGL)，响应式布局，全库采用纯c语言开发，同步显示在彩色屏或单色屏上，UI图片采用AE软件进行设计。

2.2.2 算法实现

图8 计步算法流程图

（2）MAX30102传感器心率算法实现流程图如图9所示。通过MAX30102传感器获得被测用户的PPG信号，在计滤波算法处理PPG信号后，通过加窗算法去除PPG信号的伪峰，并通过峰值法最终检测用户的心率值。

图9 心率计算算法流程图

（3）BMP180传感器气压计算算法实现流程图如图10所示。

图10 气压计算算法流程图

海拔计算公式:

P：大气压强P0：水平面参考压强

（4） 按键控制算法实现流程图如图11所示。

图11 按键控制算法流程图

（5）MQ135传感器有害气体检测算法实现流程图如图12所示。

图12 有害气体检测算法流程图

3 测试

经过实体测试，部分数据如图13和表1所示。

图13 部分模块综合测试图

表1 计步实测结果

经过测试整体设计较为稳定，模块数据采集较为精确。

4 结语

本文研究设计了一种户外用的探险智能手表，相比于市面上的其他智能手表，新增加了有害气体检测等功能，可以有效的辅助户外人员安全作业，但目前手表稳定性仍有待改善。