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基于MPU6050六轴传感器的颈椎健康监测系统设计

作者：杨圣华 王永伟 李晓蕾 来源：《科技风》2017年第02期

摘 要：针对当前颈椎病呈现出的“人数多、低龄化、危害大，难治愈”趋势，为了防患颈椎病于未然。本文基于MPU6050六轴陀螺仪设计并实现了一款智能颈环。该方案采用嵌入式设计，以MPU6050作为姿态监测传感器，nRF51822蓝牙芯片作为单片机，通过MATLAB等仿真软件及卡尔曼滤波处理得到精确的颈椎运动监测模型。 关键词：可穿戴设备；传感器；颈椎病

21世纪初，世界卫生组织宣布颈椎病已经成为世界第二大顽疾，越来越多的新闻也表明颈椎病有低龄化的趋势。颈椎病的危害极大，患者临床表现复杂，最重可至瘫痪，治愈的可能性也极低。本文从预防颈椎病的方向出发，提出一款智能颈环的设计方案。该方案将对系统的总体方案，硬件电路和软件设计等内容做详细介绍，通过MPU6050采集颈椎运动姿态数据，结合ARM单片机内核做数据分析后利用蓝牙4.0与上位机实现通讯。 一、系统总体方案

在本产品中，智能颈环MCU是ARM单片机nRF51822。该处理器的芯片面积小且能耗极低。本方案通过贴片工艺将MPU6050芯片及nRF51822芯片嵌入到颈环目标板当中。颈环工作原理如下：MPU6050芯片采集用户运动姿态数据，MCU通过I2C协议读取到传感器中的欧拉角数据，并通过芯片内的算法得到姿态数据。姿态数据会通过蓝牙串口通讯服务发送到上位机，也会被存入M25P16存储芯片。系统总体方案图如图1所示。 二、硬件设计 （一）单片机

考虑到智能颈环需要拥有可靠的续航能力，单片机采用低功耗蓝牙芯片nRF51822。该芯片具有现成的s110协议栈及与之相匹配的SDK，内置256Kb闪存及16Kb RAM，灵活的电源管理ADC以及数据接收信号强度检测（RSSI）等丰富硬件资源[ 1 ]。通过搭载贴片陶瓷天线和阻容器件即可实现蓝牙网络节点。 （二）传感器

传感器采用MPU6050，该芯片由一个三轴陀螺仪和一个三轴加速计组成。通过它内部集成的数字运动处理器DMP即可直接运算出四元数和欧拉角[ 2 ]。单片机只需等待DMP解算完