CN211129949U

CN211129949U - 一种太阳能辅助供电智能运动手环

Info

Publication number: CN211129949U
Application number: CN201922086853.2U
Authority: CN
Inventors: 陈金立; 李怡昊; 张润鑫
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2029-11-28

Abstract

本实用新型公开了一种太阳能辅助供电智能运动手环，包括单片机、空间运动传感器芯片、GPS定位模块、显示屏、太阳能电池板、太阳能电池、锂电池、电源模块；所述电源模块包括电源自动切换模块和电压降压转换电路；太阳能电池板为能量收集装置，GPS定位模块确定用户所在位置并提供本初子午线上的时间；显示屏显示位置、时间、步数；所述智能运动手环通常情况下由锂电池供电，当光照足够时，所述电源自动切换模块将供电电路由锂电池支路切换到太阳能电池板支路。太阳能电池板为辅助电池，减少了锂电池电量的消耗，提高了手环的续航能力；具有授时和定位功能，为用户在户外运动提供导航服务，同时为用户的健身运动提供计步服务。

Description

一种太阳能辅助供电智能运动手环

技术领域

本实用新型涉及智能运动手环，尤其涉及一种太阳能辅助供电智能运动手环。

背景技术

健身运动是近年来人们非常热爱和重视的活动，人们在物质生活日益满足的今天，对于身体健康也是越来越重视。其中运动手环就是近年来新兴的时尚运动产品。人们用运动手环来监控记录日常生活的各种数据，从简单的记录步数，到监测心率，再到记录里程、热量、体脂等信息，手环的功能越来越强大。现有技术的手环体积大、收集效率低。但是，体积小的电池无法提供足够的能量和保证续航能力，导致可穿戴设备的发展造成了很大的阻碍。

太阳能作为一种稳定且用之不竭的清洁绿色可再生能源，每天以1.2×10⁵MW的能量落在地球表面，具有满足日益增长的世界电力需求的巨大潜力。太阳能电池板具有无污染、低成本、稳定性强等优点，同时太阳能电池板可以设计为薄片状，占用空间小。

现有的技术通过手臂摆动带动收集装置里的转子摆动来收集能量，从人体中提取动能作为便携式电子设备的动力。该设备基于电磁感应原理，使用永磁体作为转子，使用多个线圈作为定子，转子运动切割磁感线产生感应电流。但该设计收集到的电流是交流电而且电压极不稳定，还需要经过整流电路、升压电路处理才能储存利用，处理的流程较为繁琐，而且处理过程中能量流失较为严重，装置体积也较大。压电式能量收集的鞋垫来收集运动时产生的能量。不同于传统使用的压电陶瓷等材料，使用柔韧性较好的PVDF(聚偏氟乙烯) 材料来制作鞋垫，保证了舒适度的同时也避免了压电陶瓷因为工作时间长产生的过热问题。但是相比于压电陶瓷等硬度较高的材料，这种材料收集能量的效率要低的多，收集到的能量在鞋垫处也不方便利用。

实用新型内容

实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种太阳能收集智能手环。

技术方案：本实用新型包括单片机、空间运动传感器模块、GPS定位模块、显示屏、太阳能电池板、太阳能电池、锂电池、电源模块；电源模块包括电源自动切换模块和电压降压转换电路；所述电池自动切换模块包括太阳能电池板电压测量模块和继电器模块；所述太阳能电池板为能量收集装置，驱动空间运动传感器芯片、GPS定位模块、显示屏、单片机；所述空间运动传感器芯片模块收集用户的手腕运动加速度和角速度等相关信息；GPS 定位模块确定用户所在位置并提供本初子午线上的时间；显示屏显示位置、时间、步数；所述智能运动手环通常情况下由锂电池供电，当光照足够时，所述电源自动切换模块将供电电路由锂电池支路切换到太阳能电池板支路。

所述GPS模块提供用户位置信息和时间信息。所述显示屏无背光层，不显示数据时完全不发光。所述电源自动切换模块包括太阳能电池电压测量模块和继电器模块。所述太阳能电池板电压测量模块在光照足够时，检测到太阳能电池板供电量，所述单片机向继电器模块发送一个控制电平，所述继电器模块将供电电路由锂电池支路切换到太阳能电池板支路。所述空间运动传感器模块将加速度与角速度通过串口传递给所述单片机进行信息处理，并判断用户手腕的运动状态。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型用太阳能电池板作为辅助电池，在光照充足时自动切换到太阳能电池板供电，减少了锂电池电量的消耗，提高了手环的续航能力，同时太阳能电池板为薄片状，体积小，解决了供电电池因体积受限而导致的供电不足的问题；本实用新型具有授时和定位功能，为用户在户外运动提供导航服务，同时收集处理用户手腕运动信息，判断手腕运动状态，实现计步与抬手亮屏的功能，为用户的健身运动提供计步服务；抬手亮屏减少了手环电量消耗，让手环续航能力进一步提高。

附图说明

图1为本实用新型的硬件结构框图；

图2为本实用新型的电源自动切换模块电路原理图；

图3为本实用新型的5V转3.3V电压转换电路原理图；

图4为本实用新型的单片机MSP430电路原理图；

图5为本实用新型的定位模块电路原理图；

图6为本实用新型的MPU6050空间运动传感器模块电路原理图；

图7为本实用新型的OLED显示屏的电路原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型技术方案做进一步说明。

(1)电源模块电路：电源模块电路主要由电源自动切换模块和电压降压转换电路两部分组成，其中电池自动切换模块包括太阳能电池板电压测量模块和继电器模块，电路原理图如图2所示；电压转换电路使用AMS1117-3.3芯片，电路图如图3所示。

本实用新型使用太阳能电池板和锂电池交替供电，通常情况下由锂电池供电，当电压测量模块检测到太阳能电池板的输出电压大于5V时，单片机发送一个控制电平给继电器，继电器开关由锂电池供电支路切换到太阳能电池供电支路，完成自动切换。太阳能电池板可以直接输出5V直流电，锂电池同样供给5V直流电，由于单片机供电需要3.3V电源，因此需要设计一个5V转3.3V的降压电路。电压转化电路使用AMS1117-3.3芯片，AMS1117-3.3 是低压差线性稳压器，该芯片可以将接入的5V电压降压成稳定的3.3V电压。AMS1117-3.3 芯片的GND引脚是接地端口，与电源电路的地相连。IN引脚是电压输入端口，输入电源提供的5V电压；此外，电容C1用于5V输入电源滤波。OUT引脚是电压输出端口，连接该端口的两个并联电容C2和C3用于3.3V输出电源滤波，保证电压输出端口输出稳定的3.3V 电压以供系统使用。

在本实用新型中太阳能电池板电压测量模块主要用于测量太阳能电池板的输出电压，根据测量结果向单片机发送不同的数字信号。由于单片机AD转换接口不能直接处理5V电压，因此电压测量模块需要先经过电阻R3、R4的分压，再向单片机输出电压。太阳能电池板的正极输出5V电压，负极接地，正极另引出一根导线串联R3、R4进行分压，再从R3、 R4中间引出一根导线接到单片机的P6_0引脚，为AD转换接口输入模拟电压数据。

在本实用新型中，当单片机判断太阳能电池板输出5V电压后就会向继电器发送一个高电平，接着继电器开关就会向太阳能电池供电支路吸合。继电器模块主要由光电耦合器U1， NPN三极管Q1和继电器K1组成。若单片机引脚P1_1输出高电平，5V电源经上拉电阻R1接入光电耦合器U1，则LED灯D1点亮表明光电耦合器开始工作，同时光电耦合器内的发光二极管向光电元件放射光线，光电元件根据接收的光线控制电路的导通，此时K1开关向太阳能电池板供电支路吸合，使用太阳能电池板供电。而单片机引脚P1_1输出低电平时， K1开关在锂电池供电电路闭合，使用锂电池供电。由于继电器K1需要较大电流才能驱动，因此使用NPN三极管Q1增大驱动电流，将继电器作为集电极负载接入三极管的集电极和电源之间。当三极管Q1饱和导通时压降最小，接在基极的电阻R2可以增大输出电流，减少三极管发热，二极管D2用于反极性保护。

(2)单片机主控模块电路：单片机MSP430通过串口接收GPS模块发送的定位信息与时间信息以及MPU6050空间运动传感器模块发送的加速度与角速度信息，并经处理后在OLED显示屏上显示，单片机模块电路图如图4所示。单片机XIN和XOUT引脚接一个32.768KHz晶振Y2，作为标准时钟晶振。引脚XT2IN和XT2OUT是外接晶振的输出和输入端，两引脚之间跨接8M晶振Y1，作为单片机的外部高速晶振，C4、C5均为30pF的稳频电容。单片机的REST引脚是外部复位端口，与由按键S2，限流电阻R5，二极管D3和电容C6组成的外部复位电路相连，复位时间由C6的电容值决定，二极管起保护电路的作用，当按键 S1按下，产生一个复位脉冲，REST引脚被拉低产生外部复位。DVcc引脚是数字电源端口； AVcc引脚是模拟电源端口；DVss是数字电源地端口，与地相连；引脚AVSS是模拟电源地端口，接地。VeREF+引脚是正模拟参考电压端口；VREF-引脚是负模拟参考电压端口；Vref+ 和Vref-引脚可以为单片机内的ADC或DAC提供更精确的参考电压。

(3)定位模块电路：定位模块电路的作用是与卫星进行通信，获取用户当前的地理位置与时间信息并发送到单片机处理。本实用新型使用GPS ATK-NEO-7M模块，其主要由GPS_NEO、SMA、MAX2659等芯片组成，其电路图如图5所示。

GPS定位模块ATK-NEO-7M以GPS_NEO芯片为核心，该芯片可以实现导航，定位和授时的功能。GPS_NEO的GND引脚是接地端口负责接地，VCC引脚是电源端口接3.3V直流电，电容C7用于输入电源滤波。PPS是模块工作指示灯，它与限流电阻R6串联到电源，再与TIMEPLUS时钟脉冲输出引脚相连，可以指示定位模块的状态。V_BCKP引脚是后备电源端口，采用XH414纽扣电池和电源3.3V混合供电，当有外部电源供电时，纽扣电池XH414不给 VBAT供电；当外部电源断开时，则由XH414给其供电，以保证能提供电源供芯片热启动， IN4148二极管D4用于防止电源反接，保护电路。VCC_RF引脚是输出电源端口，可以给天线电路提供电源，R7是限流电阻，电感L1起到对输出电源滤波的作用，RF_IN引脚是天线信号端口，用于接收天线信号，J1部分的SMA接头用来连接有源天线。SDA和SCL引脚分别是I2C的串行数据线接口和串行时钟接口，选择使用I2C通信协议时需要使用，此处不用。RXD和TXD引脚分别为交互命令输入和导航数据输出端口，分别接单片机的P3_4和 P3_5引脚，两个端口均串联电阻R8和R9，做输出电平兼容处理，保证信号输出正常，用于保护串口。

MAX2695是一款具有高增益、低噪声系数的低噪声放大器芯片，芯片中Antenna指天线，GND为接地端口，VCC为电源端口，接3.3V电压，RFIN和RFOUT分别为射频输入和射

频输出端口。SHDN为关断控制信号端口，输入高电平时芯片工作，输入低电平时芯片休眠。C8为输出隔直电容，对输出信号滤波，C9为输入隔直电容，对输入信号滤波，L2是输入匹配电感也起到对输入信号滤波的作用，有利于低频信号的传输，C10为电源旁路电容可以滤除电源旁路中的高频成分。

(4)MPU6050空间运动传感器模块电路：MPU6050空间运动传感器模块电路由以下几个关键部分组成：带有16位ADC和信号调理的三轴MEMS速率陀螺仪传感器、具有16位 ADC和信号调理的三轴MEMS加速度传感器、数字运动处理器(DMP)引擎、主I2C串行通信接口、用于第三方磁力计和其他传感器的辅助I2C串行接口、时钟、中断等。在本设计中主要用到的是三轴MEMS速率陀螺仪传感器和三轴MEMS加速度传感器，分别用来收集角速度和加速度信息。嵌入式数字运动处理器(DMP)位于MPU6050内部，从加速度计、陀螺仪以及其他第三方传感器(如磁力计)获取并处理数据，处理结果可以从DMP的寄存器中读取，或者可以在FIFO存储器中缓冲。图6为MPU6050空间运动传感器模块电路原理图。

MPU6050的核心芯片是IC1MPU-6050,该芯片CLKIN引脚为可选的外部时钟输入，此处不用，连到GND。AUX_DA引脚是I2C主串行数据接口，用于外接传感器；AUX_CL引脚是I2C主串行时钟接口，用于外接传感器，本设计不外接传感器，这两个引脚悬空。VLOGIC引脚用来输入逻辑参考电源电压，电容C11串联到该支路起到对输入电源滤波的作用。REGOUT 引脚为参考源的滤波电容接入口，与C13串联达到对参考电源滤波的目的，FSYNC为帧同步信号数字输入端口，此处不用，接地。VDD为供电电源接3.3V，C12起到对输入电源滤波作用，CPOUT为电荷泵与电容连线的端口，与电容C14相连，电荷泵以C14作为储能元件，产生MEMS振荡器所需的高电压。MPU6050模块使用I2C协议与MSP430单片机通信，并且始终充当从属设备，作为从属设备MPU6050模块的地址由AD0引脚决定，AD0引脚接地或者接高电平时MPU6050模块的地址分别为01101000和01101001，本实用新型中该引脚接地，MPU6050模块地址为01101000。SDA和SCL引脚是I2C的串行数据线接口和串行时钟线接口，用于I2C通信，分别接单片机的P5_1和P5_0引脚，R10、R11起到保护电路的作用。

(5)OLED显示电路：OLED显示电路主要用来显示单片机处理后输出的定位信息、计步信息与时间信息。图7为OLED显示屏的电路原理图。芯片中BS2、BS0和BS1引脚为通信协议选择引脚，根据它们所连电平的高低选择不同的通信协议，此处三个引脚都接地，选用4线SPI串行通信，R12、R13分别与引脚BS1、BS0连接接地起到保护电路的作用。该模式使用的信号线有如下几条：RES引脚是硬件复位端，与单片机的P2_1引脚连接，接入复位电平就可以使屏幕进行复位操作；CS#为芯片使能端，低电平有效，与单片机的P2_0 引脚相连；D0与D1引脚分别为4线SPI通信模式下的串行时钟线和串行数据线，分别接单片机的P2_3引脚与P2_4引脚，进行SPI通信，R15、R16作为限流电阻起保护电路的作用，该通信模式下D2引脚不使用，悬空；D/C引脚为命令/数据标志，与单片机的P2_2引脚相连，当该引脚为高电平时，单片机通过D1口逐位写数据给OLED，当为低电平时，单片机通过D1口逐位写命令配置OLED模块寄存器；D3-D7引脚不用，接地。此外，IREF是参考电流引脚，与限流电阻R14串联，设置大小为12.5μA的参考电流。VDD为逻辑电源引脚，VBAT为预留电源引脚，这两个引脚都接入电压为3.3V的外部电源，C15、C16起对输入电源滤波作用。VLSS是一个模拟接地引脚，在此处接地，VSS是电路公共接地端电压，也需要接地。C1P、C2P、C1N、C2N为预留引脚，此处悬空不用。VCOMH引脚的作用是为COM 信号输入电压，连接电容C17进行输入电源滤波，引脚VCC是为芯片提供电源的引脚，接 C18进行输入电源滤波。R/W#是读写选择引脚，E/RD#是读写启动引脚，两者在选择SPI模式或I2C模式时都需要接地，NC_1、NC_3引脚接地，作用是减小功能引脚上的磁力干扰，保护电路。

Claims

1.一种太阳能辅助供电智能运动手环，其特征在于：包括单片机、空间运动传感器芯片、GPS定位模块、显示屏、太阳能电池板、太阳能电池、锂电池、电源模块；所述电源模块包括电源自动切换模块和电压降压转换电路；所述电池自动切换模块包括太阳能电池板电压测量模块和继电器模块；所述太阳能电池板为能量收集装置，驱动空间运动传感器芯片、GPS定位模块、显示屏、单片机；所述空间运动传感器模块收集用户的手腕运动加速度和角速度相关信息；GPS定位模块确定用户所在位置并提供本初子午线上的时间；显示屏显示位置、时间、步数；所述智能运动手环通常情况下由锂电池供电，当光照足够时，所述电源自动切换模块将供电电路由锂电池支路切换到太阳能电池板支路。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助供电智能运动手环，其特征在于：所述GPS模块提供用户位置信息和时间信息。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助供电智能运动手环，其特征在于：所述显示屏无背光层，未显示数据时不发光。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助供电智能运动手环，其特征在于：所述电源自动切换模块包括太阳能电池电压测量模块和继电器模块；所述太阳能电池板电压测量模块在光照足够时，检测到太阳能电池板供电量，所述单片机向继电器模块发送一个控制电平，所述继电器模块将供电电路由锂电池支路切换到太阳能电池板支路。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助供电智能运动手环，其特征在于：所述空间运动传感器模块通过串口将数据传递给所述单片机信息处理，并判断用户手腕的运动状态。