基于蓝牙模块的智能穿戴式湿背报警器设计

课程名称：

实验题目：基于蓝牙模块的智能穿戴式湿背报警器设计

课程简要信息

课程名称：《电子创新设计与实践》独立实践课程

课程学时：24学时

适用专业：电子信息、电气工程、光电工程类等专业

学生年级：大三下期的学生

实验内容与任务（限500字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1. 以人体衣服后背汗水湿度为对象，设计一个能够检测人体后背衣服湿度(相对湿度40%-100%)、响应时间不少于10s、测量精度不低于±2%，以智能终端手机APP显示的湿度监测系统；

2. 提高湿度测量的抗外界干扰能力，减少人体运动过程对测量的干扰，及时人在跑步也能实现稳定的湿度测量；

3. 根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建较为稳定的测试环境，标定所完成的湿度计的误差。

实验过程及要求（限300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1. 技术手册阅读；

2. 学习了解不同量程、精度要求下，测量湿度的方法；

3. 尽可能多地查找满足实验要求的湿度传感器，注意传感器的类型、湿度测量范围和测量精度、输出信号形式和线性范围等关键的特征参数；

4. 选择湿度传感器以获取湿度信号，并根据传感器类型选择放大器类型，设计放大电路,注意放大电路的输入阻抗和增益；在仿真优化的基础上实现湿度信号采集及放大电路；

5. 选择将湿度信号转换为数字信号的方法，并将其以数字的形式显示出来；

6. 构思湿度显示方式，选择与之相对应的模/数转换方式，设计电路结构，制定各单元电路的技术参数指标；

7. 设计反馈控制电路实现定点湿度控制标定调整系统参数；

8. 构建一个简易的测试环境，测定湿度测量误差；

9. 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景（限150字）

这是一个运用数字和模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的案例，需要以下知识背景。

理论背景：电子技术、C语言编程技术、单片机编程技术、电力电子技术、PCB设计、电子测量技术。

实验背景：模拟电路实验、C语言上机实验、单片机应用实验、电力电子仿真实验、电子制作实验和PCB实训实验。

教学目标与目的（限100字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

整体目标:拓展学生的基础知识、提高学生的动手能力。在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解通过蓝牙模块结合单片机来控制广告显示屏的完整工作原理，特点与构成；掌握基于单片机的编程技术；熟悉使用现有实验室的仪器仪表；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试结果与数据分析对项目作出技术评价。

教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

学习湿度测量的基本方法，了解随着湿度测量范围与测量精度要求的不同，在传感器选择、测量方法等方面不同的处理方法。

不同传感器输出信号的形式、幅度、驱动能力、有效范围、线性度都存在很大的差异，后续的信号调理和放大电路也要根据信号的特征来设计；一般来说，传感器的使用说明中都有参考电路。

实验要求的精度并不高，主要取决于传感器；湿度又是一个缓变信号，因此将模拟信号转换为数字信号时可供选择的方式较多，如常规的逐次逼近型8位ADC、双积分型MC14433、ICL7106/07等都可以采用；也可以采用V/F转换的方式，或采用由控制器输出PWM波，经整流滤波后与湿度信号比较的方式，等等。

可以简略地介绍反馈控制的基本原理，要求学生自学实现反馈控制的方法及参数的整定。

在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，标定所完成的湿度计的误差；需要根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建较为稳定的测试环境。

在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

本实验设计的思路为：检测背部温湿度---单片机处理数据 ---和标准湿度进行对比----通过蓝牙将信息传到手机上----提醒家长及更换衣物。本项目主要是通过测试儿童背部的湿度，从而判断儿童背部流汗的状况，将信息通过蓝牙传送到手机APP上，便于家长实时检测孩子背部流汗情况。项目综合应用了蓝牙技术、手机APP、传感器应用等技术，实现了硬件、软件、手机APP的集成，具有一定的应用价值。

1. 系统结构

在测试背部的湿度过程中，采用湿度传感器来测试背部由于出汗引起的湿度变化，对传感器输出信号进行滤波放大处理，再经过AD转换为数字信号；同通过串口将数据传给蓝牙模块，与手机进行数据的传输；手机接收数据后进行处理，然后显示不同的提示，家长就能够更加直观的看到孩子运动时背部的情况。如图1所示。

图1. 系统结构示意图

2. 采用单片机与智能手机端协同工作方案

图2. 单片机与智能手机端协同工作流程

单片机系统的工作流程：

(1).湿度传感器采集数据，单片机对传感器采集的数据进行处理。

(2).单片机处理数据后，通过串口将数据发送至蓝牙。

手机APP系统工作流程：

(1). APP界面初始化。

(2). 扫描周边蓝牙设备，选择湿背报警器模块蓝牙进行匹配。

(3). 设置标准值。分别设湿度的标准值。（这里是为了方便我们做实验时湿度。）这个标准是最终的确实是通过两种方式：a）测量若干孩子背部的温湿度，通过分析数据得到一个值。b）通过在CNKI查阅相关文档，然后进行比对。

(4).手机接收数据并处理。手机会显示当前温湿度值和标准温湿度值，如果仅仅湿度高于标准值，手机会显示：温馨提示，请注意减少衣物；如果湿度或者温湿度都超过标准值则显示：温馨提示，请注意更换衣物。

教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

创设情境引发思考、独立探究、小组合作学习、组内交流、全班交流、巩固练习。具体如下：

1. 接受任务，2/3人一组；

2. 参阅文献，方案论证，参数计算，电路仿真

3. 电路板设计和制作，焊接调试硬件，软件编程，系统联调

4. 系统数据测试，数据分析

5. 撰写报告，实物展示，小组答辩

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验需求分析

2. 实现方案论证

3. 电路设计与参数选择

4. 电路测试方法

5. 实验数据记录

6. 数据处理分析

7. 实验结果总结

考核要求与方法（限300字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1. 主电路方案设计合理，参数计算正确，芯片选择合理，成本较低。

2. 系统技术参数达到要求的完成度，电路焊接和设计的完美度，接线和符号的规范性。

3. 实验报告撰写规范性和完整性。

4. 现场答辩与提问，实验原理清楚、仪器操作熟练。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

项目的特色在于：

综合性强：项目需要学生利用电子技术、单片机技术、电力电子技术等知识综合运用；

实践性高：项目要求学生查阅文献、电路仿真设计、电路制作、电路调试、程序编写、数据测试分析和撰写报告；

应用性广：项目来源于生活，在实际生活、工业等领域可被广泛应用。

参赛选手信息表