傅智河，苗軍林，范宜標(biāo)，王榮堅(jiān)

（龍巖學(xué)院　機(jī)電工程學(xué)院，福建　龍巖　364000）

基于STM32F103C8T6多功能健康測(cè)試腕表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傅智河，苗軍林，范宜標(biāo)，王榮堅(jiān)

（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖364000）

本多功能智能健康測(cè)試腕表以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心，利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏的計(jì)數(shù)測(cè)試；利用磁力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)電子指南針功能；利用加速度姿態(tài)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能；利用紫外線傳感器實(shí)現(xiàn)紫外線強(qiáng)度檢測(cè)；以及利用溫濕度傳感器對(duì)于環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè).實(shí)現(xiàn)了集上述功能于一體的多功能健康測(cè)試腕表.

單片機(jī)；多功能健康腕表；脈搏；計(jì)步；紫外線；溫濕度

隨著我國(guó)居民生活水平提高，人們的健康意識(shí)也逐步提高［1］.為此我們提出了設(shè)計(jì)一款多功能智能健康腕表不只是可以看時(shí)間，而且可以提供計(jì)步功能，了解我們平常的運(yùn)動(dòng)量；還可以了解我們的脈搏心率的跳動(dòng)，時(shí)刻知道我們的身體健康狀況，而且在現(xiàn)在氣溫越來(lái)越熱的情況下，紫外線強(qiáng)度對(duì)于我們的皮膚是有很大的傷害的，對(duì)于女性朋友來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是美白的殺手锏，所以我們的智能腕表還包括了紫外線檢測(cè)功能，能夠快速了解當(dāng)時(shí)的實(shí)時(shí)紫外線強(qiáng)度，從而避免被高強(qiáng)度的紫外線灼傷.為出行提供指示方向的作用，以及了解我們環(huán)境的溫度和濕度的變化,以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?］.

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)、屏幕顯示模塊、溫濕度模塊、脈搏測(cè)量模塊、電子指南針功能模塊、計(jì)步器功能模塊、紫外線指數(shù)測(cè)試模塊等部分組成，完成對(duì)電子時(shí)鐘時(shí)間的顯示、溫度和濕度的測(cè)量、脈搏次數(shù)的計(jì)數(shù)、提供方向的指示、行走步數(shù)的統(tǒng)計(jì)以及紫外線強(qiáng)度的讀取等功能，并把這些數(shù)據(jù)顯示到屏幕上，供佩戴者方便的讀取信息.同時(shí)通過(guò)按鍵對(duì)各健康參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，方便各種各樣的使用者.系統(tǒng)總體框圖如圖1-1所示.

圖1-1

2　測(cè)試?yán)碚摲治?/h2>

2.1溫濕度測(cè)試?yán)碚撚?jì)算分析

相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換公式：可以根據(jù)SDA輸出的相對(duì)濕度信號(hào)SRH通過(guò)如下公式計(jì)算獲得相對(duì)濕度RH（結(jié)果以%RH表示），（不論基于哪種分辨率）.

溫度轉(zhuǎn)換：可以通過(guò)將溫度輸出信號(hào)ST代入到下面的公式計(jì)算得到溫度T（結(jié)果以溫度℃表示）（不論基于哪種分辨率）［3］.

2.2計(jì)步器測(cè)試?yán)碚撚?jì)算分析

人體在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候可以看成有三個(gè)分量，分別是前向、豎向和側(cè)向.本設(shè)計(jì)采用陀螺儀傳感器，其傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)分別代表3個(gè)軸測(cè)量的角速度、加速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，需要解算成姿態(tài)角度信息，主要是俯仰角ρ（X軸與地面的角度）、翻滾角、（Y軸與地面的角度）和航向角α（繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度）［1］.

陀螺儀測(cè)量的是旋轉(zhuǎn)的角速度，對(duì)應(yīng)的角度值可由一下的積分計(jì)算公式得到：

其中：Ak1為當(dāng)前時(shí)刻的角度值；Ak1-1為前一時(shí)刻的角度值；Bk為陀螺儀測(cè)量當(dāng)前時(shí)刻的角速度；Bbias_k為當(dāng)前時(shí)刻角速度的偏移量；dt為積分時(shí)間，即角度計(jì)算的采樣周期［3］.加速度計(jì)測(cè)量3個(gè)軸的加速度分量，可利用以下數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系解算角度姿態(tài).

其中：X、Y、Z這3個(gè)軸的加速度分量分別是Ax、Ay、Az；γ為Z軸與重力加速度的夾角；ρ為俯仰角；ψ為翻滾角.

2.3電子指南針測(cè)試?yán)碚撚?jì)算分析

本設(shè)計(jì)采用電子羅盤來(lái)對(duì)方向的測(cè)試.電子羅盤測(cè)量的參數(shù)的是3個(gè)軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因?yàn)閄軸和Y軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度合成后總指向地磁北極，所以，航向角的檢測(cè)可通過(guò)測(cè)量敏感軸與地磁北極的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］.電子羅盤在水平位置且無(wú)外加磁場(chǎng)干擾時(shí)，航向角可通過(guò)如下公式計(jì)算得出.

其中，Hx和Hy分別為X軸和Y軸輸出的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù).

如果電子羅盤不在水平位置，那么可通過(guò)傾斜補(bǔ)償方法解決，減小航向角檢測(cè)的誤差.傾斜補(bǔ)償公式為：

其中：Mx、My、Mz分別為電子羅盤輸出的3個(gè)軸數(shù)據(jù)；ρ和ψ分別為借助加速度計(jì)檢測(cè)的俯仰角和翻滾角.補(bǔ)償后的航向角可以利用補(bǔ)償后的磁感應(yīng)強(qiáng)度H'x、H'y和式（2.3-1）計(jì)算得出.

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)控制最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6單片機(jī)為主芯片和復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路組成單片機(jī)最小系統(tǒng)，還有下載端口.單片機(jī)在上電的時(shí)候，電阻R1與電容C3進(jìn)行充放電，將給單片機(jī)提供保持2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)復(fù)位.該主控芯片主要用來(lái)處理各個(gè)傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)由主芯片處理發(fā)送給OLED顯示屏幕.

其中時(shí)鐘電路是給提供單片機(jī)正常運(yùn)行所需要的時(shí)鐘信號(hào).STM32系列單片機(jī)共有兩個(gè)時(shí)鐘源選擇：一個(gè)是通過(guò)單片機(jī)引腳引入外部時(shí)鐘作為時(shí)鐘源，另一個(gè)是由內(nèi)部自帶的R/C振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘.在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們使用了MUC單片機(jī)中自帶的時(shí)鐘，8MHzR/C振蕩器.

復(fù)位電路對(duì)單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用.單片機(jī)可通過(guò)手動(dòng)或上電進(jìn)行復(fù)位；通過(guò)外部的專門電路，在單片機(jī)通電的時(shí)候，系統(tǒng)能夠自動(dòng)復(fù)位，這種復(fù)位方式是最基本的；手動(dòng)復(fù)位，在單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)崩潰的情況，這時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)復(fù)位來(lái)解決問(wèn)題.本電路設(shè)計(jì)采用的是上電復(fù)位.

系統(tǒng)輸入設(shè)備采用四個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)完成，每個(gè)獨(dú)立按鍵接一個(gè)單片機(jī)I/O口，各按鍵的工作互不影響，單片機(jī)程序中采用查詢方式完成設(shè)備輸入功能.

3.2溫濕度測(cè)量部分電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用HTU21溫濕度傳感器，其的供電范圍為1.8VDC-3.6VDC，推薦的工作電壓為3.0V.VDD和VSS之間須連接一個(gè)100nF去耦電容，去耦電容應(yīng)該貼近傳感器［3］.微處理器與HTU21之間的通訊同步是靠SCK,DATA引腳用于讀取傳感器數(shù)據(jù).當(dāng)向傳感器發(fā)送命令的時(shí)候,在SCK高電平時(shí)保持穩(wěn)定的條件下，DATA在SCK上升沿有效.DATA在SCK下降沿之后改變.當(dāng)從傳感器讀取數(shù)據(jù)時(shí),DATA在SCK變低以后有效，且維持到下一個(gè)SCK的下降沿.為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平.需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平（上拉電阻的阻值為10K）.而且上拉電阻一般在微處理器的I/O電路中已經(jīng)包括了.

3.3脈搏測(cè)試電路設(shè)計(jì)原理

根據(jù)查閱資料可知，可以反映皮膚淺部微動(dòng)脈信息的波是560nm，可以用來(lái)提取脈搏信號(hào).本設(shè)計(jì)采用PulseSensor光電反射式模擬心率傳感器，該傳感器采用了峰值波長(zhǎng)為515nm的綠光LED，這是一款環(huán)境光感受器，感受峰值波長(zhǎng)為565nm，與皮膚淺部微動(dòng)脈信息的峰值波長(zhǎng)相近，靈敏度較高［2］.由于脈搏信號(hào)的頻帶一般在0.05～200Hz之間，信號(hào)幅度小，容易受到各種信號(hào)干擾.在感受器后面使用了低通濾波器和由運(yùn)放MCP6001構(gòu)成的放大器，將信號(hào)放大了332倍，采用分壓電阻設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的1/2，使放大后的信號(hào)被單片機(jī)的AD采集到.

心率傳感器的接口一共有三個(gè)，sout是模擬信號(hào)的輸出線，然后將傳感器采集到的模擬信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上［7］.由單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算得到心率的數(shù)值，然后通過(guò)單片機(jī)傳輸液晶顯示屏幕上.電源引腳VCC接3.3v電源輸入或者5V入電源輸入，GND引腳接地.

3.4紫外線指數(shù)電路設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用的ML8511受光器件是模擬化輸出，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路的時(shí)候要應(yīng)到到模數(shù)轉(zhuǎn)化，把傳感器的模擬化信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳給MCU處理，最后才顯示到液晶顯示屏上.工作原理如圖2-2所示.

圖3-4　ML8511傳感器工作原理

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件整體的設(shè)計(jì)思想如下，系統(tǒng)上電之后對(duì)STM32F103C8T6進(jìn) 行 串 口 初 始 化 ， 接 著STM32F103C8T6采用I2C協(xié)議讀取各種參數(shù)傳感器當(dāng)中的數(shù)據(jù)并且產(chǎn)生串口中斷，STM32F103C8T6檢測(cè)串口中斷是否發(fā)生，判斷各種數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是否在規(guī)定值之內(nèi)，如果不在這個(gè)范圍內(nèi)，那么為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，繼續(xù)等待串口中斷.如果在這個(gè)范圍內(nèi)，那么為正確數(shù)據(jù)，響應(yīng)串口中斷對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，運(yùn)算得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，然后把測(cè)試的參數(shù)顯示在LCD屏上.

5　測(cè)試結(jié)果

在腕表設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試.檢查程序和硬件都沒(méi)有問(wèn)題之后，就把程序通過(guò)硬件電路上預(yù)留的下載端口，通過(guò)下載器下載到單片機(jī)內(nèi)，然后開始測(cè)試各個(gè)功能.如圖5-1為多功能智能腕表的設(shè)置界面及時(shí)間顯示.

圖5-1　多功能腕表的設(shè)置界面

根據(jù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，以下數(shù)據(jù)是在通上電后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出的數(shù)據(jù).如圖5-2所示.

根據(jù)上圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際溫度和測(cè)量溫度、實(shí)際濕度和測(cè)量濕度的兩條折現(xiàn)都是很貼近的，說(shuō)明了測(cè)量的準(zhǔn)確度是較高的.

圖5-2　溫濕度測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖

圖5-3　脈搏測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖

在脈搏測(cè)量?jī)x功能模塊設(shè)計(jì)完成后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試.將測(cè)試對(duì)象的手指放入光電傳感器，應(yīng)保持適當(dāng)壓力，通過(guò)單片機(jī)分析計(jì)算從數(shù)碼管讀取1分鐘內(nèi)的脈搏次數(shù)，將該結(jié)果與同一測(cè)試對(duì)象“人工把脈”（實(shí)際測(cè)量）進(jìn)行比較，共選取五次測(cè)量結(jié)果作為比較對(duì)象，具體比較結(jié)果見(jiàn)圖5-3.

根據(jù)上圖的數(shù)據(jù)和折線圖可以看出，測(cè)量的脈搏次數(shù)和實(shí)際脈搏次數(shù)的折現(xiàn)是非常接近的，而且與實(shí)際測(cè)量的誤差在±1左右，誤差可能是由于在指端按壓測(cè)量的時(shí)候，沒(méi)有接觸好所造成的，由此，此脈搏檢測(cè)的精度是很高的.

6　結(jié)論

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)核心控制器是STM32F103C8T6單片機(jī)，及其溫濕度傳感器電路、計(jì)步器和指南針傳感器電路、脈搏測(cè)量電路、紫外線檢測(cè)電路、液晶顯示電路等.軟件設(shè)計(jì)是將各個(gè)功能模塊分開實(shí)現(xiàn)，最終整合在系統(tǒng)硬件上實(shí)現(xiàn)功能.本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的功能有時(shí)間顯示、溫濕度的測(cè)量、測(cè)量脈搏次數(shù)功能，而計(jì)步功能、指南針功能和紫外線檢測(cè)的功能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.但是要使本設(shè)計(jì)功能更加強(qiáng)大，功能更加豐富，還需要在后面的研究上下更大的力，才能使該產(chǎn)品更加的完善.

〔1〕劉錚，陳拓.高精度溫濕度傳感器SHT2x的應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（01）：19-21+ 25.

〔2〕劉春陽(yáng)，徐軍領(lǐng)，程洪濤，王東方，薛玉君.MPU 9250傳感器的姿態(tài)檢測(cè)與數(shù)據(jù)融合［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（04）：14-17+22+ 5.

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〔4〕高建民，翁惠輝，陳永軍，丁福坤；張輝.基于AVR單片機(jī)的高精度紫外線檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2012.（01）：28-30+34.

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TP311

A

1673-260X（2016）09-0009-03

2016-05-11

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（G20142004）