魯開(kāi)林，吳孔平，李 琳，慈能達(dá)，李良光，周孟然

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)家對(duì)煤礦開(kāi)采安全的重視，管理者對(duì)礦工在井下工作的安全性要求越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)礦工身體的健康狀況也日益重視，而體溫是人體生命活動(dòng)的基本特征，也是觀察人體機(jī)能是否正常的重要指標(biāo)之一，是標(biāo)準(zhǔn)化較強(qiáng)和測(cè)量較為方便的一種生理信號(hào)［1］。因此，在礦工帽上設(shè)計(jì)一種具有智能測(cè)量體溫并存儲(chǔ)的系統(tǒng)尤為重要，這有助于煤礦的管理人員了解礦工在井下工作的身體健康狀況，安排合理的工作班次，對(duì)礦工提供人文關(guān)懷。本系統(tǒng)選擇意法公司的STM32F103 芯片作為主控制器，MLX90615 作為非接觸式測(cè)溫的傳感器，目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由微控制芯片控制的礦工帽上的體溫采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)STM32F103、紅外溫度傳感器、OLED 顯示模塊、Micro SD 存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊和電源模塊等構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。單片機(jī)通過(guò)通用輸入輸出管腳(GPIO)、模擬SMBus 總線與紅外溫度傳感器進(jìn)行通信。紅外傳感器采集信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部算法準(zhǔn)確計(jì)算出人的體溫值，通過(guò)OLED 顯示模塊顯示并保存到Micro SD 存儲(chǔ)器中，再根據(jù)體溫的警戒值去控制報(bào)警模塊。鑒于煤礦下的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，人體體溫的警戒值設(shè)定為38.5 攝氏度［2］。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的選擇

本設(shè)計(jì)選用了基于ARM 公司Cortex－M3 內(nèi)核的STM32 系列中STM32F103RBT6 微處理器。STM32 微處理器具有高性能、低功耗特點(diǎn)，擁有復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設(shè)和 USB 接口［3］。STM32F103RBT6 片上集成了128 k FLASH，20 k SRAM 存儲(chǔ)器，并有2 個(gè)SPI、3 個(gè)串口、4 個(gè)16 位定時(shí)器、1 個(gè)CAN 接口、1 個(gè)USB、51 個(gè)可用的I/O腳。這樣的配置滿足當(dāng)前功能又能后續(xù)升級(jí)，是較為理想的選擇。

2.2 體溫測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MLX90615ESG－ DAA 紅外溫度傳感器測(cè)量人體體溫。該種傳感器專為醫(yī)療檢測(cè)設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成了紅外傳感器，低噪聲運(yùn)算放大器，16 位ADC，F(xiàn)IR/IIR 濾波器和高性能DSP 單元，在36～39℃的人體溫度范圍內(nèi)的精度達(dá)到±0.1 ℃，符合醫(yī)療檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。MLX90615 支持PWM 和SMBus 兩種通信方式，本設(shè)計(jì)采用SMBus 的方式與處理器進(jìn)行通信，紅外體溫測(cè)量電路如圖2所示。SMBus 是一種二線制的同步串行總線，由1 條時(shí)鐘線和1 條數(shù)據(jù)線組成，主機(jī)為通信提供同步時(shí)鐘［4］。由于處理器STM32 沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的SMBus 總線，因此，使用2 個(gè)GPIO 管腳模擬SMBus 總線的通信協(xié)議，處理器作為通信主機(jī)，而MLX90615 作為從機(jī)。

2.3 OLED 顯示模塊電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ALINETEK 的0.96 寸OLED 顯示屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。該模塊為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，抗震性好、高分辨率，超廣可視角度、超低功耗。它不需要高壓，采用3.3 V 的電壓就可以工作。它支持8080并行接口方式，具有多個(gè)控制指令，可以控制OLED 的亮度、對(duì)比度、開(kāi)關(guān)升壓電路等指令［5］。操作方便，功能豐富，通過(guò)以下一些的信號(hào)線與單片機(jī)連接。OLED 顯示模塊與STM32 單片機(jī)的連接原理如圖3所示。

2.4 Micro SD 存儲(chǔ)模塊的電路設(shè)計(jì)

Micro SD 卡的外形尺寸很小，應(yīng)用在手機(jī)、多媒體播放器等小體積的系統(tǒng)中。它擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率以及很好的安全性的特點(diǎn)。Micro SD 卡的接口支持SPI 模式。它使用4 條線:串行時(shí)鐘線(SCL)、低電平有效的使能信號(hào)線(CS)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線(MISO)、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線(MOSI)［6］。利用STM32 自帶的SPI接口，最高通信速度可達(dá)18 Mb/s，每秒可傳輸數(shù)據(jù)2MB 以上，對(duì)于該系統(tǒng)應(yīng)用足夠了。Micro SD 卡和STM32 單片機(jī)的連接原理如圖4所示。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中單片機(jī)、紅外溫度傳感器、OLED 顯示模塊、Micro SD 卡存儲(chǔ)模塊和報(bào)警模塊的供電電壓均為3.3V，因此，電源模塊需為系統(tǒng)提供3.3 V 電源。采用4.2 V 鋰電池進(jìn)行供電，使用一片低壓差線性穩(wěn)壓器RT9193 將電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 供電電壓。電源模塊電路如圖5所示，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電源輸出能夠到達(dá)本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成功能包括體溫?cái)?shù)據(jù)采集與運(yùn)算、OLED 顯示、Micro SD 卡相關(guān)的初始化和寫(xiě)操作。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置、中斷配置、外設(shè)總線初始化以及GPIO 引腳配置等初始化設(shè)置。系統(tǒng)主程序如圖6所示［7］。

3.1 溫度采集部分

系統(tǒng)采用定時(shí)中斷的方式啟動(dòng)紅外體溫測(cè)量，在定時(shí)中斷子程序中啟動(dòng)SMBus 總線讀取MLX90615 的原始測(cè)量數(shù)據(jù)Data，并根據(jù)公式T=Data×0.02－273.15 計(jì)算人體體溫，將最終得到的人體體溫T存入體溫?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)中。定時(shí)器中斷子程序流程如圖7所示。

3.2 Micro SD 卡的初始化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

Micro SD 卡通過(guò)上電和軟件復(fù)位命令CMD0實(shí)現(xiàn)復(fù)位;上電之后進(jìn)入idle 狀態(tài)模式;Micro SD卡在選擇進(jìn)入SPI 模式后，再次上電前不能返回SD 模式，之后用CMD1 初始化Micro SD 卡［8］。其初始化流程如圖8所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于STM32 礦工帽的體溫采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能成功地將數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)起來(lái)，為測(cè)量礦井下的人員在工作中的體溫變化過(guò)程提供一種技術(shù)手段，可為井下人員身體工作狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究提供可靠的和足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)不僅體積小、功耗低、集成度好，而且采用了彈出式Micro SD 卡座設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡可以替換下來(lái)，方便數(shù)據(jù)信息保存到PC 機(jī)中。本系統(tǒng)為面向個(gè)人健康監(jiān)護(hù)的典型應(yīng)用，適用于礦井工作環(huán)境，有著很好的發(fā)展前景和廣闊的提升空間。

［1］孫旭東，張躍.基于AD8232 和MLX90615 的心電與體溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(9):81－84.

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