基于STM32礦工帽的體溫采集存儲系統(tǒng)設(shè)計

魯開林，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，隨著科學(xué)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(biāo)之一，是標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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］。

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(fù)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(dāng)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(dá)到±0.1 ℃，符合醫(yī)療檢測標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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。

2.3 OLED 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。

2.4 Micro 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(dá)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。

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(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)實際測試，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

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］。

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。

3.2 Micro 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(fù)位命令CMD0實現(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(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 的心電與體溫測量系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(9):81－84.

［2］邢娟娟.井下高溫作業(yè)的礦工生理、生化測定研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2001，11(4):45－48.

［3］丁珍紅.基于STM32 的高速大容量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計［D］.上海:上海交通大學(xué)，2011.

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［5］李想，鄭喜鳳，陳宇.基于Linux 下的OLED 顯示模塊設(shè)計［J］.液晶與顯示，2012，27(1):103－107.

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［8］劉軍.例說STM32［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011:262－264.