基于STM32的脈搏體溫檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

王瑞琦，董高旭，周渴望

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077）

隨著信息科學(xué)和生命科學(xué)的密切結(jié)合和人們生活水平的提高，市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來(lái)越多的檢測(cè)人體健康的設(shè)備儀器。本次設(shè)計(jì)就健康檢測(cè)中兩個(gè)比較重要的生理特征，心率和體溫來(lái)設(shè)計(jì)了一款檢測(cè)心率體溫的裝置。脈搏和體溫的測(cè)量可以作為判斷人體健康的一種重要依據(jù)。一些疾病的發(fā)生就會(huì)伴隨著體溫和脈搏的變化，所以實(shí)時(shí)地測(cè)量人體脈搏體溫是預(yù)防一些疾病的基本方式。體溫作為檢查人體健康重要的理?yè)?jù)之一，體溫的變化成了病情的判斷依據(jù)，特別是新冠肺炎病毒的爆發(fā)，體溫的正常與否就成了是否感染的最基本的依據(jù)，體溫計(jì)的需求也隨之增多。同時(shí)脈搏的跳動(dòng)次數(shù)也是檢測(cè)人體健康的重要理?yè)?jù)之一，一個(gè)正常成年人的心臟跳動(dòng)次數(shù)為60～120 次/min，當(dāng)然人在不同的環(huán)境下、情緒下脈搏的跳動(dòng)次數(shù)都是不一樣的。

1 總體方案

本設(shè)計(jì)的主控制系統(tǒng)使用的是STM32 單片機(jī)[1]，分別對(duì)脈搏傳感器、顯示屏和蜂鳴器等器件進(jìn)行控制。脈搏傳感器的部分采用了光電脈搏傳感器[2]，此傳感器的可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；放大濾波的部分使用一階的有源濾波電路；整形的部分使用施密特觸發(fā)器；顯示屏使用LCD1602 液晶顯示器進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示；使用DS18B20 溫度傳感器采集當(dāng)前體溫信號(hào)[3]；測(cè)量數(shù)據(jù)超出限定值時(shí)蜂鳴器報(bào)警?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方框圖Fig.1 Block diagram of system structure

2 硬件設(shè)計(jì)

人體脈搏跳動(dòng)會(huì)影響人體血液中的氧合血紅蛋白和血紅蛋白的濃度[4]，設(shè)計(jì)采用光電式脈搏傳感器[5]，通過(guò)人體內(nèi)氧合血紅蛋白和血紅蛋白對(duì)660 nm 的紅光和940 nm 的紅外光的吸收程度不同來(lái)檢測(cè)出一個(gè)跳動(dòng)周期轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[6]，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大整形電路之后輸入到STM32 單片機(jī)中[7]。體溫通過(guò)DS18B20 溫度傳感器測(cè)量輸入到STM32 單片機(jī)。經(jīng)過(guò)STM32 單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的處理、控制、輸出最后在LCD1602 液晶顯示屏上顯示出所需數(shù)據(jù)。如果測(cè)量中出現(xiàn)數(shù)據(jù)超出設(shè)定的理論值范圍，則報(bào)警電路進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警。

2.1 單片機(jī)介紹

單片機(jī)，是一種微小型計(jì)算機(jī)中非常重要的一部分。單片機(jī)主要是由內(nèi)部的單塊集成電路組成[8]，其中包含有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力的CPU、IO 口和RAM 存儲(chǔ)器。需要用相對(duì)應(yīng)的編譯器將程序燒寫(xiě)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的控制。STM32F103 單片機(jī)在32位的MCU 中具有出眾的通訊和控制功能，很適合低電壓、低功率和高性能的應(yīng)用。它是STC 公司早期產(chǎn)品，多用于工業(yè)控制，其最大的作用就是控制各種外設(shè)和傳感器。自行處理和計(jì)算得到一系列數(shù)據(jù)和信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的控制。

本次設(shè)計(jì)選用了STM32F103C8T6 單片機(jī)，相比于51 單片機(jī)系列多了很多功能，不但運(yùn)行速度快，還自帶有2 個(gè)AD 轉(zhuǎn)換，并且有4 個(gè)串口進(jìn)行通訊。應(yīng)用中頻率可以達(dá)到72 MHz，是同類(lèi)型中產(chǎn)品性能最高的，它的功率損耗為36 mA，也是同類(lèi)產(chǎn)品中功率損耗最低的，其管腳圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)管腳圖Fig.2 Pin diagram of MCU

2.2 脈搏信號(hào)采集電路

本設(shè)計(jì)采用光電式脈搏傳感器來(lái)采集脈搏信號(hào)[9]。光電式脈搏傳感器的工作原理是通過(guò)人體心臟的跳動(dòng)[10]，也就是有周期性的收縮和舒張從而導(dǎo)致人體的血液中的氧合血紅蛋白和血紅蛋白的濃度不同來(lái)采集脈搏信號(hào)的[11]。氧合血紅蛋白和血紅蛋白對(duì)660 nm 的紅光和940 nm 的紅外光吸收的不同來(lái)采集一次脈搏信號(hào)，傳輸至放大電路中，經(jīng)過(guò)放大電路的信號(hào)放大后輸入到單片機(jī)中處理。本設(shè)計(jì)的脈搏信號(hào)采集電路如圖3所示。

圖3 脈搏信號(hào)采集電路Fig.3 Pulse signal acquisition circuit

2.3 溫度傳感器DS18B20

本設(shè)計(jì)選擇的溫度傳感器為DS18B20，它傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，是一種三線的傳感器，一根接地線，一根接+5 V 電壓，最后一根則是連接單片機(jī)芯片進(jìn)行體溫信號(hào)的傳輸[12]。

DS18B20 的特點(diǎn)和參數(shù)[13]：具有特殊的單線接口的方式，只需要一條口線與微處理器連接，就可以實(shí)現(xiàn)雙向連接；不需要使用其他的外部元器件輔助；具有直徑為6 mm 的不銹鋼保護(hù)管；最多可以8個(gè)DS18B20 并聯(lián)使用，如果過(guò)多就會(huì)因電壓低而導(dǎo)致信號(hào)傳輸不穩(wěn)定；測(cè)溫范圍在-55～125 ℃之間；工作電壓在3.0～5.5 VDC。

本設(shè)計(jì)使用的溫度傳感器的電路如圖4所示。

圖4 溫度傳感電路Fig.4 Temperature sensing circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件部分的設(shè)計(jì)，首先要考慮到單片機(jī)對(duì)于各個(gè)電子器件的控制運(yùn)行。通過(guò)使用Keil Vision2 軟件進(jìn)行軟件部分的設(shè)計(jì)編程，單片機(jī)通過(guò)程序來(lái)控制各部分硬件的協(xié)調(diào)工作，單片機(jī)將采集到的脈搏體溫的信號(hào)在單片機(jī)中處理后，將數(shù)字信號(hào)輸出到顯示屏部分，顯示出當(dāng)前的數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量到的脈搏體溫?cái)?shù)據(jù)超出原本設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)會(huì)給蜂鳴器發(fā)出指令，使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)作為提醒。各部分硬件之間的工作需要單片機(jī)通過(guò)軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 主程序流程

給系統(tǒng)上電之后，系統(tǒng)主程序先進(jìn)行心率初始化，LCD1602 顯示器初始化。等待系統(tǒng)正常工作之后，通過(guò)按鍵設(shè)置一個(gè)測(cè)量脈搏數(shù)的范圍，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到脈搏體溫信號(hào)后傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)流程中[14]，通過(guò)計(jì)算、處理之后再輸出到LCD1602 中顯示出具體的數(shù)值[15]。當(dāng)測(cè)量的值超出了設(shè)置的范圍，系統(tǒng)會(huì)給蜂鳴器發(fā)出一個(gè)高電平指令使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。流程如圖5所示。

圖5 主程序流程Fig.5 Master program flow chart

3.2 溫度傳感器流程

開(kāi)啟開(kāi)關(guān)電源后，采集體溫信號(hào)的傳感器開(kāi)始工作。DS18B20 傳感器會(huì)實(shí)時(shí)地把檢測(cè)到的體溫信號(hào)以數(shù)字量的形式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。

DS18B20 先進(jìn)行初始化WENDU（int temperature）；顯示溫度傳感器經(jīng)過(guò)短暫的延遲750 μs void delay_beep（75）[16]，void ds18B20reset（void），read DS-18B20-a bit 進(jìn)行一位一位讀取字節(jié)，寫(xiě)入一個(gè)直接到DS18B20 中。

本設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)流程如圖6所示。

圖6 溫度檢測(cè)流程Fig.6 Flow chart of temperature detection

4 測(cè)試步驟

本次設(shè)計(jì)的脈搏體溫檢測(cè)儀從檢測(cè)上分為兩部分，一是硬件部分，二是軟件部分。首先要對(duì)設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物進(jìn)行檢測(cè)，檢查元器件的正負(fù)極，引腳等焊接的是否正確，元器件之間的走線是否完全按照電路圖所示，焊接是否正確完好，是否有漏焊、虛焊、橋接等導(dǎo)致元器件無(wú)法工作的原因。檢查完畢之后，然后對(duì)系統(tǒng)的軟件控制部分進(jìn)行測(cè)試：

（1）將軟件程序燒入STM32 單片機(jī)中，上電之后，檢查各個(gè)元器件的工作指示燈是否正確亮起，正常工作。

（2）尋找一個(gè)正常成年人，將其手指放在脈搏心率傳感器上，注意保持穩(wěn)定不動(dòng)幾秒鐘，因?yàn)槭种付秳?dòng)的話會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。

（3）將DS18B20 溫度傳感器放在腋窩進(jìn)行溫度的測(cè)量[17]。將測(cè)到的溫度脈搏信號(hào)輸入到單片機(jī)中處理后，最后在顯示屏上顯示出讀數(shù)。

（4）對(duì)于蜂鳴器的報(bào)警不能找一個(gè)不合格的人來(lái)測(cè)試，只能通過(guò)設(shè)置蜂鳴器的報(bào)警范圍來(lái)檢測(cè)蜂鳴器的工作是否正常。

在經(jīng)過(guò)硬件檢測(cè)好，軟件程序調(diào)試好之后。系統(tǒng)開(kāi)始上電測(cè)試設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能，測(cè)試時(shí)找一個(gè)正常成年人需要測(cè)試一系列的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

通過(guò)對(duì)以上測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，本設(shè)計(jì)基本完成了對(duì)脈搏和體溫的測(cè)量和顯示。當(dāng)測(cè)量值高于設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：①設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈搏信號(hào)的采集，并且將信號(hào)輸入到單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的計(jì)算處理后，成功地顯示在了液晶顯示屏上；②設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了體溫信號(hào)的采集，同樣將信號(hào)輸入到了單片機(jī)后，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的計(jì)算處理之后，成功地輸出到液晶顯示屏并且顯示出具體示數(shù)；③設(shè)計(jì)中，可以設(shè)置脈搏和體溫的上限，檢測(cè)時(shí)將讀數(shù)設(shè)置在范圍之外，蜂鳴器發(fā)出了報(bào)警信號(hào)。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

設(shè)計(jì)的不足和未來(lái)改進(jìn)手段如下：①采集脈搏體溫信號(hào)時(shí)會(huì)受到外界因素的干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差較大。以后可以嘗試使用其他精度和準(zhǔn)確度比較高的信號(hào)采集模塊；②選擇的DS18B20 溫度傳感器會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，外界環(huán)境溫度不能超過(guò)人體體溫，否則會(huì)影響測(cè)試結(jié)果；③對(duì)DS18B20溫度傳感器而言，溫度是實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī)信號(hào)的，所以顯示的體溫是慢慢變化最終接近于人體體溫。若要提高測(cè)溫速度，需嘗試其他傳感器。