魯開林++吳孔平++李琳++慈能達++李良光++周孟然

摘要：體溫是一種反映人體健康狀況的重要參數(shù)，長期記錄人的體溫為預(yù)防疾病起到重要作用，為進一步研究井下工作人員的身體健康狀況提供大量的有用數(shù)據(jù)。采用單片機STM32F103RBT6為主控制器，配合MLX90615 紅外溫度傳感器實現(xiàn)對人體體溫的測量并把體溫數(shù)據(jù)保存在大容量Micro SD卡中。該系統(tǒng)不僅體積小、功耗低，便于在礦工帽上安裝和長時間使用，而且成本低廉、操作簡單，便于普及和推廣。

關(guān)鍵詞：STM32； 體溫測量； MLX90615； Micro SD卡

中圖分類號：TP368.1文獻標志碼：A

近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及國家對煤礦開采安全的重視，管理者對礦工在井下工作的安全性要求越來越高，同時對礦工身體的健康狀況也日益重視，而體溫是人體生命活動的基本特征，也是觀察人體機能是否正常的重要指標之一，是標準化較強和測量較為方便的一種生理信號[1]。因此，在礦工帽上設(shè)計一種具有智能測量體溫并存儲的系統(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作為非接觸式測溫的傳感器，目的是設(shè)計一個由微控制芯片控制的礦工帽上的體溫采集存儲系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計

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

圖1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2硬件設(shè)計

2.1控制器的選擇

本設(shè)計選用了基于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，擁有復位電路、低電壓檢測、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存儲器，并有2個SPI、3個串口、4個16位定時器、1個CAN接口、1個USB、51個可用的I/O腳。這樣的配置滿足當前功能又能后續(xù)升級，是較為理想的選擇。

2.2體溫測量電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用MLX90615ESG-DAA紅外溫度傳感器測量人體體溫。該種傳感器專為醫(yī)療檢測設(shè)計，內(nèi)部集成了紅外傳感器，低噪聲運算放大器，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)的精度達到±0.1 ℃，符合醫(yī)療檢測標準。MLX90615 支持PWM和SMBus兩種通信方式，本設(shè)計采用SMBus的方式與處理器進行通信，紅外體溫測量電路如圖2所示。SMBus 是一種二線制的同步串行總線，由1 條時鐘線和1 條數(shù)據(jù)線組成，主機為通信提供同步時鐘[4]。由于處理器STM32沒有標準的SMBus 總線，因此，使用2 個GPIO 管腳模擬SMBus 總線的通信協(xié)議，處理器作為通信主機，而MLX90615 作為從機。

SCL 引腳為SMBus總線通信提供同步時鐘；SDA 引腳為數(shù)據(jù)線。

圖2MLX90615與STM32F103RBT6單片機的連接電路圖

2.3OLED顯示模塊電路的設(shè)計

本系統(tǒng)采用ALINETEK的0.96寸OLED顯示屏實現(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，具有多個控制指令，可以控制OLED的亮度、對比度、開關(guān)升壓電路等指令[5]。操作方便，功能豐富，通過以下一些的信號線與單片機連接。OLED顯示模塊與STM32單片機的連接原理如圖3所示。

2.4Micro SD存儲模塊的電路設(shè)計

Micro SD 卡的外形尺寸很小，應(yīng)用在手機、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。Micro SD卡的接口支持SPI模式。它使用4條線：串行時鐘線（SCL）、低電平有效的使能信號線（CS）、主機輸入/從機輸出線（MISO）、主機輸出/從機輸入線（MOSI）[6]。利用STM32自帶的SPI接口，最高通信速度可達18 Mb/s，每秒可傳輸數(shù)據(jù)2MB以上，對于該系統(tǒng)應(yīng)用足夠了。Micro SD 卡和STM32單片機的連接原理如圖4所示。

圖3OLED顯示模塊與STM32F103RBT6單片機引腳的電路連接圖

圖4Micro SD 卡和STM32F103RBT6引腳的電路連接圖

2.5電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)中單片機、紅外溫度傳感器、OLED顯示模塊、Micro SD卡存儲模塊和報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)實際測試，電源輸出能夠到達本質(zhì)安全型標準。

圖5電源模塊電路

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要完成功能包括體溫數(shù)據(jù)采集與運算、OLED顯示、Micro SD卡相關(guān)的初始化和寫操作。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時鐘配置、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]。

圖6系統(tǒng)的主程序流程圖endprint

3.1溫度采集部分

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

圖7定時器中斷子程序流程圖

3.2Micro SD卡的初始化和數(shù)據(jù)存儲部分

Micro SD卡通過上電和軟件復位命令CMD0實現(xiàn)復位；上電之后進入idle狀態(tài)模式；Micro SD卡在選擇進入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。

圖8Micro SD卡初始化流程圖

4結(jié)論

本文設(shè)計的基于STM32礦工帽的體溫采集存儲系統(tǒng)設(shè)計，能成功地將數(shù)據(jù)顯示并存儲起來，為測量礦井下的人員在工作中的體溫變化過程提供一種技術(shù)手段，可為井下人員身體工作狀況實時監(jiān)測的研究提供可靠的和足夠的實測數(shù)據(jù)。整個系統(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，數(shù)據(jù)存儲卡可以替換下來，方便數(shù)據(jù)信息保存到PC機中。本系統(tǒng)為面向個人健康監(jiān)護的典型應(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。

參考文獻：

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）endprint