Материал: Smart часы и принцип их работы

Введение

Тема данной курсовой работы «Smart часы и принцип их работы».

Smart часы это технология которая стала появляться не так давно, но уже стремительно развивается. Первыми smart часами были всем так хорошо известные часы с калькулятором, которыми зачастую пользовались школьниками и студентами, особенно на контрольной или экзамене, но на этом их существование не остановилось, шло время и данная технология развивалась и продолжает это делать и в настоящее время. На сегодняшний день smart часы очень сильно отличаются от своих предшественников, в них стали использовать самые современные технологии и теперь их используют не только как калькулятор, теперь с них можно слушать музыку, отвечать на звонки и сообщения, делать снимки и видео, выходить в интернет, а также с помощью них можно управлять автомобилем и это ещё не предел. Их стали оснащать специальными датчиками, которые считываю показатели пульса, тем самым следя за вашим здоровьем.

Постановка задачи

В данном курсовом проекте необходимо рассмотреть вопросы, связанные с технологией smart часов, дать описание принципу работы.

В теоретической части раскрыть понятие smart часов, цели и задачи данных устройств, дать характеристику основных блоков, привести функциональную блок-схему, описать используемые технологии.

В практической части разработать электронную модель, демонстрирующую следующие режимы

Взаимодействие блоков часов

Принцип работы и отслеживание параметров

Принцип работы применяемых дачиков

Сенсоры и датчики в умных часах: как это работает?

Немногие владельцы умных устройств задаются вопросом, как именно работают различные датчики, которыми оснащены современные гаджеты. Стоит отметить, что еще пару лет назад «умный» браслет только и умел, что считать шаги. Теперь же фитнес-браслеты и умные часы умеют считать пройденное расстояние, распознавать свое положение в пространстве, реагировать на уровень освещения и делать многое другое. Как все это работает?

Акселерометры

Практически в любом фитнес-трекере есть акселерометр. Этот модуль может использоваться для выполнения различных задач, но основная функция акселерометра -- подсчет количества сделанных шагов. Акселерометр также дает гаджету информацию о положении в пространстве и скорости передвижения.

Таким образом, трекер или часы «понимают», в каком положении сейчас находятся, «зная» о том, двигается владелец или нет.

Не все акселерометры одинаковы -- есть цифровые, есть аналоговые, есть чувствительные, есть не очень.

В основе конструкции акселерометра - грузик (инертная масса), который перемещается в корпусе на пружине (или другом упругом элементе), реагируя на силы инерции, возникающие при повороте или встряхивании телефона. Чем больше ускорение встряски, тем больше отклоняется грузик.

Схема простейшего акселерометра. Груз закреплён на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменяя показания прибора.

Когда сила инерции грузика уравновешивается силой пружины, величина его смещения от нейтрального положения, свидетельствующая о величине ускорения (замедления), регистрируется каким-либо датчиком перемещения и преобразуется в электрический сигнал на выходе устройства. Этот сигнал затем подается в электронный блок или бортовой компьютер для обработки. Таким образом, например, можно переключать треки или сбросить звонок.

Конструкция акселерометра такова, что он реагирует только на ту составляющую ускорения, которая совпадает с направлением перемещения грузика, так называемой осью чувствительности прибора. Простейшие акселерометры имеют одну такую ось, но есть варианты с двумя или тремя осями чувствительности.

Особенность акселерометра состоит также в том, что в силу его принципа работы он реагирует не только на силу инерции, а и на силу тяжести. В одних случаях это мешает, а в других, наоборот, помогает.

Гироскоп

Гироскоп (в переводе значит «вращение» или «смотреть») -- устройство, имеющее способность измерения изменения углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. В настоящее время известно два типа гироскопов: механический и оптический. По режиму действия гироскопы делятся на: датчики угловой скорости и указатели направления. Однако, одно устройство может работать одновременно в разных режимах в зависимости от типа управления.

Что касается механических гироскопов, то из них больше всех известен роторный гироскоп -- это твёрдое тело, которое быстро вращается и ось которого способна изменять ориентацию в пространстве. Скорость вращения гироскопа при этом существенно превышает скорость поворота оси его вращения. Основным свойством данного гироскопа является способность сохранения в пространстве неизменного направления оси вращения при отсутствии какого-либо воздействия на неё внешних сил. Основная часть роторного гироскопа -- быстро-вращающийся ротор, имеющий несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Принцип работы

Принцип работы гироскопа заключается в грузиках, которые вибрируют на плоскости с частотой скорости умноженной на перемещение. При повороте гироскопа возникает так называемое Кориолисово ускорение. Если вы пропускали физику в школе или не знаете, то у всех тел есть единое свойство -- при вращении они сохраняют свою ориентацию относительно направления силы тяжести. По сути, гироскоп -- это волчок, который вращается вокруг вертикальной оси, закреплённый в раме, которая способна поворачиваться вокруг горизонтальной оси, и в свою очередь закреплена в другой раме, которая может поворачиваться вокруг третьей оси. Таким образом, можно придти к выводу: как бы мы не поворачивали волчок, он всегда имеет возможность всё равно находиться в вертикальном положении. Датчики снимают сигнал, как волчок ориентирован относительно рам, а процессор считывает, как рамы в этом случае должны быть расположены относительно силы тяжести.

Гироскопы применяются в технике. Они используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. Что касается той самой системы стабилизации, то она бывает трёх типов: система силовой стабилизации (используется на двухстепенных гироскопах), система индикаторно-силовой стабилизации (также на двухстепенных гироскопах) и система индикаторной стабилизации (на трёхстепенных гироскопах).

А теперь поподробнее об этих трёх основных типах. Система силовой стабилизации: для стабилизации вокруг каждой оси требуется один гироскоп. Сама стабилизация осуществляется непосредственно гироскопом, а также двигателем разгрузки. В начале действует гироскопический момент, а потом уже подключается двигатель разгрузки. Система индикаторно-силовой стабилизации: для стабилизации также требуется один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент. И последняя -- система индикаторной стабилизации: для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Использование гироскопа в мобильных устройствах

Давайте же затронем тему использования гироскопа в мобильных устройствах и игровых приставках. В настоящее время в большинстве смартфонов используется так называемый МЭМС-акселерометр. Будучи датчиком ускорения, в покойном состоянии он видит только один вектор -- вектор всемирной силы тяготения, который всегда направлен к центру Земли. По разложениям вектора на чувствительные оси датчика без каких-либо затруднений вычисляется угловое положение устройства в пространстве. Также разложение вектора может показать, что датчик неспособен определить разворот устройства по углу курса, то есть поворот влево или вправо при поставленном на ребро смартфоне -- проекция вектора на курс всегда равняется нулю. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo -- Wii Remote для игровой приставки Wii, и в нём используется только трёхмерный акселерометр.

Кроме того, гироскоп стал применяться и в игровых контроллерах. Например, Sixaxis для SONY PlayStation третьего поколения и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих игровых контроллерах используются два дополняющих друг друга пространственных сенсора: гироскоп, а также акселерометр. Также в новейших контроллерах, кроме акселерометра, используется дополнительный пространственный сенсор -- гироскоп. Если привести работу гироскопа в других вещах, то существуют игрушки на основе гироскопа. Самыми банальными примерами являются йо-йо и волчок или в народе его называют «юла». Волчки же отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки.

В других сферах также есть применение гироскопу -- их целый список. Гироскоп используется в приборах навигации в самолётах и космических аппаратах, в оружии (пуля при стрельбе закручивается, это придаёт ей гораздо большую устойчивость и повышает точность стрельбы), колёса велосипеда или подобного устройства работают как гироскопы -- это не даёт ездоку упасть. Таким образом, любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом -- он противодействует отклонению оси вращения.

GPS

Этой технологии исполнилось уже несколько десятков лет, но она до сих пор остается одной из наиболее востребованных. GPS позволяет определять координаты объекта с высокой точностью, используя сигнал, посылаемый спутниками (всего их 29).

GPS модуль в часах или трекере получает сигнал со спутника. А по времени, которое проходит с момента отправки сигнала спутником до момента фиксации модулем, можно определить примерное положение модуля. Чем больше спутников в зоне действия, тем точнее определяются координаты.

Соответственно, GPS модуль позволяет определять скорость передвижения, высоту над уровнем моря и некоторые другие параметры.

Система GPS (Global Positioning System - всемирная система определения координат) была разработана в конце семидесятых годов прошлого века. Заказчиком явилось Министерство обороны США. Через несколько лет после запуска систему открыли для гражданского использования. Официальное название ее - NAVSTAR - NAVigation System with Timing And Ranging - навигационная система определения времени и дальности.

Основной принцип работы системы лежит в использовании постоянно находящихся на околоземных орбитах спутников, передающих сигналы привязки. Таких спутников не менее 24. Обычно их больше, некоторые из них при этом находятся в резерве. По мере необходимости спутники заменяются новыми. Срок службы каждого из них составляет порядка 10 лет. Весит спутник системы порядка 1 тонны, и имеет размах "крыльев" (солнечных батарей) около 5 метров. Спутники вращающихся по 6 орбитам, расположеным на высоте около 18000 км, с периодом обращения вокруг Земли 12 часов. Управлением системы занимаются несколько наземных станций слежения, расположенных на тропических островах и контролируемых центральным пунктом управления в Колорадо-Спрингс (США). Наклон орбит к земному экватору - 55 градусов, угол между плоскостями орбит - 60 градусов.

Местоположения GPS приемника вычисляется на основе измерения задержки прохождения радиосигнала от нескольких спутников и вычисления на основе этих измерений географических координат и высоты над уровнем моря. Сигнал каждого спутника содержит псевдослучайный код (PRN - PseudoRandom Number code), эфемериды (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации спутника - источника сигнала.

Эфемериды - координаты данного спутника в околоземном пространстве. Они передаются на спутник с центра управления.

Альманах - содержит данные о том, где должны находится спутники в данный момент и их состояние - рабочее или нет.