移動手環(huán)的設(shè)計與實現(xiàn)

郭富祥 陸子清 王崢 徐忠超 戴耀威

摘要：步入21世紀以來，隨著生活水平日益提高，人們對自身的健康更為關(guān)心。移動手環(huán)作為一種檢測設(shè)備，一定程度上可以反映人體的健康狀況，通過移動手環(huán)對運動狀況、心率血壓的檢測，不但可以加強人們對自身健康的了解，預(yù)防問題的發(fā)生，也可以促使人們制定合理的運動計劃，提高自身素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：STM32F411;心率血壓檢測;計步;卡爾曼濾波算法

0引言

系統(tǒng)中加入了MPU6050計步芯片檢測人步行中三個方向的加速度變化，通過對峰值的次數(shù)累加可得到用戶步行步伐。本設(shè)計使用數(shù)字濾波器對計步產(chǎn)生的誤差進行分析處理，并且使用卡爾曼濾波器算法進行仿真研究。移動手環(huán)采用OLED屏作為顯示屏，通過SPI通信把檢測到的數(shù)據(jù)顯示出來。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

作為整個移動手環(huán)系統(tǒng)的最為基礎(chǔ)的部分，硬件電路的地位是十分重要的。本設(shè)計的移動手環(huán)系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成部分如下：STM32F411芯片及按鍵電路、供電電路、OLED顯示模塊、MPU605計步模塊、HP-6血壓心率檢測模塊、SHT20溫度檢測模塊。

1.1功能原理

本設(shè)計所包含的功能有計步功能，檢測心率血壓功能、檢測溫濕度功能等，所采用的主控芯片為意法半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的芯片STM32F411，所采用的心率檢測模塊為HP檢測模塊，測量原理為光點容積脈搏波描記法原理即發(fā)射端采用兩個分立的綠光LED，接收端采用一個光電二極管，通過控制發(fā)射LED光，光照射到人的皮下組織，皮下的動脈血液和其他組織會吸收一部分的光，有一部分沒被吸收的光會被反射回來，光電二極管根據(jù)心臟跳動引起動脈的舒張和收縮，動脈里的血液對反射光亮的影響，來推算出人的心率。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1HP-6心率血壓檢測模塊

HP-6模塊是一款自帶心率血壓算法的檢測模塊，其通信方式完全遵照IIC通信協(xié)議，測量原理是PPG原理（光電容積描記原理），它是一種使用光電技術(shù)檢測皮膚組織下心臟跳動引起血容量變化的方法。血容量的改變則體現(xiàn)了脈搏波的形狀。

光源發(fā)射到皮膚表面，一部分被皮膚組織吸收和散射，未被吸收的光束的另一部分將最終通過皮膚表面重新進入空氣。通過光檢測設(shè)備檢測皮膚表面未吸收的發(fā)光強度，從而形成PPG信號，光源產(chǎn)生的入射光經(jīng)過皮膚后，被皮膚組織吸收一部分后，然后產(chǎn)生的反射光被接收器接收處理，最后得到我們想要的數(shù)據(jù)信號。

2.2MPU6050計步模塊

MPU6050是一款加速度計和角速度計。它避免了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少其封裝體積僅為4*4*0.9毫米。MPU6050采用不同的可編程測量精度，可以根據(jù)用戶的實際需求然后對測量精度進行選擇調(diào)整，以保證快速運動和慢速運動的精準性。加速度的量程為：±2g、±4g、±18g;角速度的量程為：±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps）。

2.3OLED顯示屏

OLED液晶屏為有機發(fā)光二極管，它同樣具有自發(fā)光，不需背光源，對比度高、厚度薄、視角廣反應(yīng)速度快等優(yōu)點，顯示大小為132*64（像素點），OLED屏有6800，8080，SPI，IIC通信方式，通信方式的選擇主要是通過對芯片引腳BS1和BS2設(shè)置來進行選擇。

2.4電源電路設(shè)計

移動手環(huán)的供電電路采用的芯片為HT7533-1，采用CMOS工藝制造，低功耗的高壓穩(wěn)壓器，最高輸入電壓可以達到12V，輸出電壓范圍為2V-5V。當輸入電壓為5v時，輸出電壓為3.3V，其最小電壓不小于3.201V，最大電壓不大于3.339V。

2.5USB轉(zhuǎn)串口電路的設(shè)計

USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340是一個USB總線適配器芯片，其功能是實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口。CH340芯片內(nèi)部裝有USB上拉電阻，當我們使用電源電壓供電時，進行電路設(shè)計時需要給U8提供一個5v的電壓輸入，還要給4號引腳連接一個104電容作為電源退耦電容。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

VisualStudio 2017是對VisualStudio 2010的升級，它整合了互聯(lián)網(wǎng)資源，云計算應(yīng)用程序以及開源應(yīng)用引擎等所有內(nèi)容。通過VisualStudio 2017打造應(yīng)用程序及服務(wù)，并將之部署到Azure。VisualStudio 2017不僅增強了程序的可視化功能，可以同時啟動多個監(jiān)視圖，而且，它還重新設(shè)計了開發(fā)環(huán)境，對集成開發(fā)的可讀性進行了很大提高。另外，VisualStudio 2017為了提高程序開發(fā)的效率以及準確性，它將程序代碼進行了整合和簡化，將一些繁雜的程序進行了刪除處理，它還可以進行多窗口的同時查看處理，可以大大提高我們編寫效率與程序的驗證和及時性。

4總結(jié)與展望

4.1總結(jié)

通過硬件的調(diào)試與軟件的測試后證明本設(shè)計移動手環(huán)的設(shè)計與實現(xiàn)所有的要求都是可以實現(xiàn)的，而且每一個模塊都能穩(wěn)定實現(xiàn)其功能也說明了我們對芯片選擇的正確性，符合移動手環(huán)的基本要求。

本次完成了移動手環(huán)的設(shè)計，模塊做的很小，PCB的制作上所有器件封裝大小都在不影響性能的前提下封裝，布線間距為7mil，OLED屏大大增大了移動手環(huán)的體積。

4.2展望

根據(jù)現(xiàn)在國內(nèi)外的發(fā)展情況，移動手環(huán)未來的市場必將十分誘人，搭乘支付寶快速發(fā)展的便車，結(jié)合國民對自身健康的尤為關(guān)注，與健康產(chǎn)業(yè)，快捷支付等領(lǐng)域合作共贏，不斷擴寬移動手環(huán)的技術(shù)水準。

移動手環(huán)也可以與醫(yī)療機構(gòu)進行合作，用戶感到不適就可以通過移動手環(huán)的上位機進行個人健康管理，防患于未然。