论文总字数：28818字

目 录

1引言 1

1.1本课题研究的背景 1

1.2本课题研究目的和意义 1

1.3 本文主要内容............................................................2

2系统设计 2

2.1系统总体设计 2

2.2微控制芯片的选择与论证 3

2.3传感器的选择和论证 3

2.4显示模块的选择与论证 4

2.5存储器的选择和论证 4

2.6无线模块的选择与论证 4

3硬件设计 5

3.1主控模块 5

3.1.1 MSP430单片机 6

3.1.2复位电路 8

3.1.3晶振电路 8

3.1.4程序下载接口电路 9

3.2电源模块 9

3.3计步模块 10

3.3.1ADXL345传感器 11

3.3.2ADXL345与单片机的连接 11

3.4显示模块 11

3.5脉搏模块 12

3.6蓝牙模块 13

3.6.1蓝牙技术 13

3.6.2蓝牙模块与单片机的连接 13

4软件设计 14

4.1主程序设计 14

4.2 蓝牙数据传输软件设计 15

5调试及检测 16

5.1 硬件焊接 16

5.2 实物调试 17

5.2.1 液晶电路的调试 18

5.2.2 发送端电路的调试 18

5.2.3 接收端电路的调试 19

6总结与展望 20

参考文献 20

致谢 22

附录一系统原理图 23

附录二发送端程序主函数 25

基于MSP430的运动健康监测系统

班 冰

，China

Abstract: With the rapid development of economy, the living standards and quality of our residents have been continuously improved, while body fat and high blood fat people are increasing which can make the emergence of a number of diseases. So health problems have gradually become the focus of attention. It is very important to monitor sports and health because Physical exercise has become people's benefit and the most rapid and effective method. A portable meter step and pulse monitor system is designed in this paper. This system uses MSP430 single chip microcomputer as the control core, while uses acceleration sensor ADXL345to measure steps. The results obtained are displayed by the LCD1602 liquid crystal, and is transmitted to the user through the Bluetooth module. Real-time sports health monitoring is carried out in the system. The system has the characteristics of integrated level high, small size, low power, stable performance and practical value.

Keywords: pedometer; pulse monitoring; MSP430; ADXL345

1引言

1.1本课题研究的背景

随着居民生活条件的改善，学习与工作上的繁忙使得人们对身体素质的要求随之提高。在生活中的多种病，大部分由肥胖及运动少导致。常见的中青年上班的人群中，工作繁忙、酒场多，过着热量与脂肪高、熬夜多以及运动量不足的生活。会使许多脂肪不易消耗，以层次形式累积于人体内，因此越来越多的人变胖、血压与血脂升高，甚至在心血管中隐藏了巨大的风险。锻炼身体是提高身体素质最有效与最快速的方法，而脉搏监测使人们能够与实时监测自己的身体状况，随时提醒人们及时调节自己。计步器现在已成为一种非常受欢迎的每日运动量的监控设备，是现今广泛流行的趋向，能够使人们产生运动的动力，加强锻炼，提高身体素质。行走可以通过肌肉的伸缩，使得血液的抵抗值下降，血压下降，并达到平稳。高血压或者低血压病可以通过行走锻炼减少患病率。若每天可以行走锻炼，脂肪性物质会很少附着在血管壁上，体重会下降，这样心脏的负荷也会减低。现在基于单片机设计的计步器已得到大众的喜爱，因为其具有许多优点，比如准确性、稳定性、便利性等。计步器能够通过显示步数，让使用者方便的观测到自己的运动量。然而，在过去，由于人们对科技的不了解，计步器并没有被普及。这表明先进的科学技术还未能找到更好的方式服务于人类。计步器一般把摆钟原理用来当计数的方法，使用加重的机械开关感应人的行走，还携带一个原理容易的计数设备。若摇动这些设备，能够发现其中会有金属晃动的声音。此种器件已经被市场淘汰，而此刻电子式的计步器成为使用者的”新宠”。

计步器可以记录人们运动的步数，促进人们锻炼身体，而对于人们身体健康还有另外一个重要信息，便是脉搏信息。在中国传统的医学中，脉搏信息主要通过脉搏诊断，此种方法是一种独特的诊断方法，具有很久的历史和丰富的经验教训。通过诊断脉搏，我们可以从中得到很多身体健康情况的信息。心脏和血液等构成人类身体中心血管系统，与中枢神经系统一同作用下，血液实现完整的轮回。脉搏信号经由心脏的跳动并使血液在血管中流动而产生，所以可以遵循当今科学的方法，能够将脉搏信号视为心脏内部运动状态在人体外表的输出和表现。心脏的伸缩和血液在血管的运行中遇到的不同阻力的相互作用产生脉搏波。在中国从古至今的医学中，脉象与脉搏具有特别的对应关系。为能提高人们生活质量与综合素质，应该提倡居民对自身的健康状况的了解，以及提高检测脉搏信号的准确性，这样可以降低居民的心血管系统疾病，使居民的人均寿命延长。

1.2本课题研究目的和意义

如今科学技术的快速发展与居民对自身健康情况的关注度提高，使得体育和医疗业的技术与设备更新迅速，更加便利惠民。通过各种通信方式得到实时数据，使人们可以掌握最新的数据，了解自身的状况。当佩戴者携带计步器，能够实时观看到自己的运动量，根据数据，用户及时作出相应的调整。最先使用计步器的行业是奶牛养殖，经过不断的技术更新，被广泛应用于医疗器械上，逐步渗入体育与健康方面。由于人口老龄化越来越严重，提高身体素质，延长人均寿命已经得到广泛关注，计步器与脉搏监测等产品的市场会越来越大，其需求量亦会不断增加。因此，计步器与脉搏监测器的研究对于未来的社会和市场具有长远的重要意义。本设计为使数据传输能够具有无线、实时、可移动的特点，应用了无线与近距离传输技术。

1.3本文主要内容

本文将计步器和脉搏监测器结合在一起，设计了一个基于MSP430运动健康监测系统。这一便携式仪器能够满足人们与市场的需求。本文包括以下章节：

第一章：分析了本课题的背景、目的和意义，介绍了论文的主要内容和章节。

第二章：进行了系统设计，分析了各模块的选择原因。

第三章：进行了硬件设计，对各模块的工作原理和工作过程进行详细的说明，并对各模块的器件进行了选择和介绍。

第四章：进行了系统软件设计。给出了系统的软件流程图，并对各子程序进行了分析。。

第五章：对制作的实物进行最后的调试和检测。

第六章：对本文进行了总结，对该课题的进一步研究进行了展望。

2系统设计

2.1系统总体设计

本课题研究的是计步与脉搏监测系统，第一部分的功能是通过一种传感器来测得使用者行动时的加速度值，再根据相应的算法来得到步数，最后利用显示屏告知使用者。其次脉搏监测部分，通过脉搏采集设备取得非静态的脉搏信息，然后经由微控制器中UART接口传送至设备的显示模块，显示脉搏数据。用户信息还可以通过蓝牙模块传送到手机上，在手机上显示运动信息。本设计可将数据信息存到单片机的内部Flash中，能够在系统掉电后确保信息不丢失。本系统包括主控模块、电源模块、加速度模块、脉搏模块、显示模块、蓝牙模块这几个部分。图2-1为系统总体设计的框架图。

图2-1系统框架图

2.2 微控制芯片的选择与论证

方案一：以往通常会选C51单片机作为微控制器，其具有众所周知的优点，首先其制作的成本低；其次，出现较早，具有着久远的历史，因此，大量有价值的资料可供我们参考，而且资料查找的途径也非常多。C51单片机从出现以来，始终受到市场的喜爱和关注，后来由此衍生很多系列产品，从而可以从侧面看出51单片机具有很高的性价比。但是该单片机亦有一些不足，期构造不够与时俱进，在某些方面比较落后。还有一个缺点便是该种器件的IO口数量不是很丰富，是不可以应用于大型的项目中。不能够满足对全系统技术需求的情况限制了该单片机的使用范围。

方案二：与C51单片机对比， 显而易见MSP430单片机具有高性能与低功耗的优点。首先，十六位的数据处理能力是C51单片机不止两倍的关系，很大程度上提升了单片机的性能，内部哈弗总线构造使代码执行的速度提升到很高的档次。其次，其增强了单片机内外设置，具有十六个含有中断功能的IO口，自身配置十二位模数转换器，捕捉定时器，UART接口等。由于本设计需要定时器，综合两个单片机的性能，MSP430能够达到本课题的要求。最关键的是，MSP430的功耗很低，在非动态状态时几乎不需消耗能量，本次课题是在节能理念前提下的研究课题，因此对于能量消耗的要求应尽可能的低。若在本次设计中选MSP430单片机作为微控制器，可以满足我们课题的需求。虽然该单片机价格比C51贵很多，但是MSP430的性价比非常高，所以在此次的设计中，我们使用该种单品机。

2.3传感器的选择和论证

方案一：使用机械式振动传感器，这种器件在使用期间，其里面的平衡锤的工作时不稳定容易出现故障。用户开始使用时，计步器内的传感器会将重心高低的变化转化机器能够识别的语言，经过处理可以使用户得到相应的信息。此种器件原理简单并且造价不高，因此经常在振幅很大的地方使用。但是由于测量不够准确，还会出现错误的判断，甚至漏判严重，不能满足本课题精确度高的要求^[4-5]。

方案二：采用加速度传感器，由于加速度的变化会导致电阻、电压和电阻的变化，所以此种传感器可以分为三种不同类型，即压阻式，压电式和电容式。使用者在运动过程中，重心高低变化，计步器内部的单片机会得到该种传感器的3个物理量，经过信息处理，能够得到相应的信息。这种方案中的传感器因其准确、敏感、简单等优点，广泛应用于我们日常生活的各个领域中，市场的需求量不断提高，制作工艺日益完善，使得该种传感器的性能高与成本低，综合考虑，该种传感器可以满足我们设计的要求。

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