通過單片機(jī)進(jìn)行控制的智能健康手環(huán)的設(shè)計(jì)

◎侯晨祥 周迎勤

科技的進(jìn)步使一些我們以前想都不敢想的事物漸漸進(jìn)入我們的生活，生活中也有很多東西從以前的裝飾品變成了科技產(chǎn)品，例如一些電話手表，測(cè)溫戒指，智能手環(huán)等，這些東西已經(jīng)成為我們生活中的?？?，改變了我們的生活，并隨著嵌入式的發(fā)展，這些東西也漸漸的變的不在高大上起來，實(shí)現(xiàn)了平民化、商業(yè)化。智能健康手環(huán)使用單片機(jī)作為系統(tǒng)主控，由心率血氧檢測(cè)模塊（MAX30102）、溫濕度檢測(cè)模塊（SHT30）、光照檢測(cè)模塊（TEMT6000）、大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊（BMP280）、OLED 顯示電路、按鍵電路和報(bào)警單元組成。該智能健康手環(huán)可檢測(cè)用戶的心率，血氧含量情況，也可對(duì)用戶周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，如溫度，濕度，大氣壓強(qiáng)和光照強(qiáng)度等，手環(huán)集成有人機(jī)交互系統(tǒng)，可人為控制其測(cè)量方式，選擇檢測(cè)方法，也添加有報(bào)警電路，當(dāng)任何傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)超過預(yù)定值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提醒，確保使用者的安全，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人體健康和周圍環(huán)境情況的目的。在可以實(shí)現(xiàn)目前市面上大部分產(chǎn)品的功能的情況下，添加了一下手環(huán)自己的功能，不再借助手機(jī)來觀測(cè)環(huán)境情況。

系統(tǒng)使用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32 作為主控芯片，通過單片機(jī)控制外部設(shè)備進(jìn)行環(huán)境光檢測(cè)，環(huán)境溫度濕度檢測(cè)，周圍氣壓情況和使用者心率檢測(cè)的功能，同時(shí)制作成一個(gè)方便佩戴的手環(huán)外形，傳感器選型也秉著低功耗，低成本的觀念，選擇制作，能保證系統(tǒng)可以獨(dú)立的長(zhǎng)時(shí)間正常使用。

一、背景和意義

科技改變著我們的社會(huì)生活，目前也有很多科技產(chǎn)品融入在社會(huì)生活中，并且我們漸漸的向萬物互聯(lián)的方向走去，家庭空氣檢測(cè)，電子門鎖，掃地機(jī)器人，空調(diào)伴侶等，產(chǎn)品變的越來越細(xì)致化，方便我們的使用，攜帶，可是我們生活作息，身體健康也漸漸的向亞健康靠攏，在這樣的環(huán)境下我們需要一款既可以檢測(cè)我們身體健康又可以檢測(cè)環(huán)境健康的產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的生活中。

二、智能健康手環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.檢測(cè)技術(shù)：檢測(cè)傳感器多選用工業(yè)級(jí)別的傳感器，他們通過壓力，超聲波，電磁波，光敏等傳感器技術(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)，同時(shí)芯片內(nèi)部自行編碼，通過軟件尋址或電平控制的方式來向外傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)。

2.串口通信：傳感器通過內(nèi)部編碼，可把檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送到外界的主控中，但是主控如何識(shí)別這些數(shù)據(jù)呢？我們主要使用串口通信的方式進(jìn)行讀取，通信也有很多方式，本系統(tǒng)中主要使用IIC 通信協(xié)議進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)讀取。

3.人機(jī)交互：系統(tǒng)除去可自行檢測(cè)的傳感器外面，我們還需要引入人機(jī)交互系統(tǒng)，通過按鍵，顯示等方式，在使用者處得到工作信號(hào)，然后再通過人機(jī)交互系統(tǒng)把檢測(cè)完成的數(shù)據(jù)顯示給使用者。

三、主要內(nèi)容

1.總體框架。

通過功能分析進(jìn)行總體框架的設(shè)計(jì)，根據(jù)要求，我們需要選擇一款合適的單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控，其次是主控的工作電路，包括下載電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路等，然后根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的目的，來選擇合適的傳感器，傳感器選擇好后，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行單片機(jī)接口的分配即可。

2.硬件搭建。

搭建系統(tǒng)前需要了解一些數(shù)模電方面的基礎(chǔ)知識(shí)，保證設(shè)計(jì)的原理圖在理論上可行，緊接著根據(jù)需要學(xué)習(xí)Altium designer 軟件，通過該軟件原理圖設(shè)計(jì)和PCB 繪制。繪制過程中，我們需要嚴(yán)格按照各傳感器的工作電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，一個(gè)完整的系統(tǒng)電源部分萬不可出現(xiàn)問題，另外根據(jù)傳感器的檢測(cè)功能，設(shè)計(jì)過程中需要分配好放置位置。

3.軟件設(shè)計(jì)。

軟件方面主要通過單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，傳感器開始檢測(cè)后，大部分可自行進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，我們需要做的就是編寫好通信程序，保證接收的數(shù)據(jù)正確即可，但是也有一部分傳感器無法自己計(jì)算，我們收到數(shù)據(jù)后，需要編寫標(biāo)準(zhǔn)公式，自己梳理；然后編寫人機(jī)交互界面，方便使用者觀看檢測(cè)數(shù)據(jù)，最后編寫界面顯示，美化系統(tǒng)界面。

4.整體調(diào)試。

軟件設(shè)計(jì)完成后，我們需要大量的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)試，調(diào)試根據(jù)實(shí)際實(shí)物情況制作人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而完善整個(gè)操作系統(tǒng)，完成所有的功能。

四、智能健康手環(huán)工作原理

（一）系統(tǒng)工作原理

智能健康手環(huán)通過單片機(jī)進(jìn)行控制，通過連接傳感器的輸入輸出，將傳感器處理的數(shù)據(jù)作為主控芯片的輸入，傳到主控芯片中，主控芯片通過輸入的數(shù)據(jù)，判斷溫濕度是否超過閾值，超過閾值則進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)將光照強(qiáng)度，心率等轉(zhuǎn)化成數(shù)字。以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。圖4-1 是手環(huán)系統(tǒng)框圖。

圖4-1 智能健康手環(huán)組成框圖

系統(tǒng)主要包括有單片機(jī)最小系統(tǒng)，溫濕度檢測(cè)模塊（SHT30），大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊（BMP280），心率血氧檢測(cè)模塊（MAX30102），光照檢測(cè)模塊（TEMT6000），OLED 顯示單元，按鍵電路，報(bào)警單元組成，其各功能分工如下：

單片機(jī)最小系統(tǒng)：計(jì)算和處理傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，響應(yīng)按鍵電路的輸入，操作顯示屏幕和報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。

溫濕度檢測(cè)模塊（SHT30）：通過SHT30 芯片對(duì)空氣中的溫度濕度進(jìn)行檢測(cè)，并把數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)。

大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊（BMP280）：通過BMP280 芯片檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的大氣壓強(qiáng)情況。

心率血氧檢測(cè)模塊（MAX30102）：通過MAX30102 光敏傳感器檢測(cè)使用者心率，血氧含量情況。

光照檢測(cè)模塊（TEMT6000）：通過TEMT6000 光敏器件檢測(cè)使用者當(dāng)前的環(huán)境光。

OLED 顯示單元：響應(yīng)單片機(jī)的指令，并把數(shù)值顯示出來。

按鍵電路：為使用者提供操作界面。

報(bào)警單元：響應(yīng)單片機(jī)的指令，當(dāng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)和預(yù)期值有較大變化時(shí)，表示使用者所處環(huán)境情況復(fù)雜，需要撤離或注意身體情況。

（二）單片機(jī)模塊方案選擇

根據(jù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，首先需要選擇一款合適的單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，首先預(yù)計(jì)使用意法半導(dǎo)體公司的單片機(jī)，為了滿足可實(shí)現(xiàn)制作實(shí)物手環(huán)的目的，系統(tǒng)預(yù)計(jì)使用64 腳的單片機(jī)進(jìn)行制作，選定使用STM32F103C8T6 作為主系統(tǒng)處理器，單片機(jī)內(nèi)核使用ARM32 位的Cortex-M3 架構(gòu)，工作頻率最高可達(dá)72MHZ，單片機(jī)使用2.0~3.6 伏寬電壓供電且單片機(jī)具有功耗低，有睡眠，停機(jī)和待機(jī)三種工作模式，芯片的寬供電和低功耗標(biāo)志著系統(tǒng)可處于長(zhǎng)期工作中，并且系統(tǒng)對(duì)電池的要求也不會(huì)過高。

單片機(jī)內(nèi)部資源配置：內(nèi)部集成有2 個(gè)12 路ADC 通道，可轉(zhuǎn)換范圍在0~3.6V，芯片支持USART，I2C，SPI 多種通信方式，芯片集成有64 個(gè)引腳，除復(fù)位，時(shí)鐘，下載，電源和接地外，還具有大約48 個(gè)外設(shè)引腳，硬件資源上足夠系統(tǒng)使用；單片機(jī)內(nèi)部集成有64K 程序閃存存儲(chǔ)器，7 個(gè)DMA 控制器，在軟件資源分配上，也足夠系統(tǒng)使用；并且芯片體積小，資源豐富，方便后期的實(shí)物制作與調(diào)試。

（三）溫濕度檢測(cè)模塊（SHT30）

系統(tǒng)通過手環(huán)內(nèi)部集成的溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的檢測(cè)，系統(tǒng)中溫濕度檢測(cè)模塊使用SHT30，其中溫濕度檢測(cè)模塊（SHT30）包括溫度傳感器T Sensor、濕度傳感器RH Sensor、ADC 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、上電復(fù)位、校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)接口等。其中，如圖可知，將溫度傳感器和濕度傳感器收集到的數(shù)據(jù)傳送到ADC 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而將連續(xù)變換的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，然后提過外部引腳，配合芯片的工作電路，嚴(yán)格按照IIC 通信協(xié)議，當(dāng)芯片讀取到單片機(jī)發(fā)送的起止信號(hào)好，開始向單片機(jī)傳送檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。

（四）大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊（BMP280）

系統(tǒng)通過內(nèi)部集成的大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊（BMP280）實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣壓強(qiáng)的檢測(cè)，其中，模塊使用BMP280 作為檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理芯片，通過壓強(qiáng)傳感器接收環(huán)境中的壓強(qiáng)，將連續(xù)變化的模擬數(shù)據(jù)作為輸入傳到環(huán)境模塊中，環(huán)境模塊接收到環(huán)境中變化的壓強(qiáng)信號(hào)之后，將模擬量傳到內(nèi)部ADC 單元，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，使得模擬量變成數(shù)字信號(hào)，然后提過分配的接口引申出去，配個(gè)芯片工作電路，嚴(yán)格按照IIC 協(xié)議，等待響應(yīng)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送來的起止信號(hào)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)中，供單片機(jī)數(shù)據(jù)處理。

（五）心率血氧檢測(cè)模塊（MAX30102）

心率血氧檢測(cè)模塊選用MAX30102，芯片工藝技術(shù)成熟，內(nèi)部集成有一個(gè)660nm 紅光和880nm 紅外光，屬于光電傳感器的一種，可通過地址操作實(shí)現(xiàn)開關(guān)內(nèi)部中斷檢測(cè)，也可通過軟件進(jìn)行芯片關(guān)斷，關(guān)斷后電流為零，保證了低功耗的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

（六）光照檢測(cè)模塊（TEMT6000）

光照檢測(cè)模塊選用TEMT6000 作為檢測(cè)傳感器，TEMT600內(nèi)部可看成一個(gè)硅型NPN 二極管，其基極集成在一個(gè)透明敏感元件中，通過光照的不同，基極的光感元件可產(chǎn)生不同的電壓，通過三級(jí)管的放大特性，把數(shù)據(jù)放大，通過電壓的形式發(fā)送出去，可通過AD 轉(zhuǎn)換直接讀取檢測(cè)的數(shù)值，傳感器只對(duì)可見光敏感，不需要額外的過濾設(shè)施，并且具有良好的線性輸出，確保數(shù)值的可靠性。

五、硬件電路設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)電路

系統(tǒng)選用STM32F103C8T6 作為系統(tǒng)的芯片，PCB 封裝采用LQFP64 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝，P1 接口使用SPI 的下載方式，該下載方式方便簡(jiǎn)單，按照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和下載器對(duì)應(yīng)接線，通過編譯器進(jìn)行下載編譯即可，不需要操作單片機(jī)的BOOT 腳，但是BOOT 腳需要接地，保證程序可執(zhí)行；C3，C2，XTAL 組成外部時(shí)鐘電路，通過外部時(shí)鐘產(chǎn)生信號(hào)，輸送到單片機(jī)中，VCC接電源，GND 接地，其中圖中接入了大量的濾波電容，起到了濾波作用。

（二）穩(wěn)壓電路

要想系統(tǒng)能正常穩(wěn)定的工作，必須有一款文波小，輸出電壓穩(wěn)定輸出電流穩(wěn)定的穩(wěn)壓電路；實(shí)現(xiàn)我選用的是3.7 伏鋰電池，但是系統(tǒng)中模塊供電平均為5V 和3.3V，STM32F103C8T6的工作電壓在2.0～3.6V 之間，3.7V 的電源就顯的格外突兀，但是又考慮到產(chǎn)品的可穿戴性，無法使用大容量，大電源的電池，于是我計(jì)劃進(jìn)行升壓后降壓處理，通過檢測(cè)，升壓符合預(yù)期結(jié)果并且得到了5V 的電源輸入，有了5V 的電源，只需要接一個(gè)3.3V 的穩(wěn)壓即可，LM1117-3.3V 芯片是一款線性穩(wěn)壓芯片，本身就具備文波小電源穩(wěn)定的特點(diǎn)。

（三）信息采集電路

1.溫濕度檢測(cè)模塊（SHT30）。

溫濕度檢測(cè)模塊使用SHT30 芯片，芯片小巧，數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其中R7，R8 為IIC 接口SCL 和SDA 的上拉電阻，C14 進(jìn)行電源濾波，單片機(jī)通過IIC 協(xié)議進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)即可。

2.大氣壓強(qiáng)檢測(cè)電路（BMP280）。

按照BMP280 數(shù)據(jù)手冊(cè)，設(shè)計(jì)得出，其中出去上拉電阻和濾波電容外，自行設(shè)計(jì)的就是一個(gè)G 電阻和一個(gè)V 電阻，這兩個(gè)電阻可對(duì)芯片進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，根據(jù)手冊(cè)當(dāng)芯片5 腳接地時(shí)或接源時(shí)，芯片響應(yīng)地址不同設(shè)計(jì)得出。

3.心率血氧檢測(cè)模塊（MAX30102）。

心率血氧檢測(cè)模塊使用MAX30102 模塊進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)閭鞲衅餍枰o貼手背，為了方便設(shè)計(jì)于是采用了成品模塊，通過排母的方式連接在手環(huán)背面，VIN 接 5V，SCL 接 PB8，SDA 接PB9。

4.光照檢測(cè)模塊（TEMT6000）電路。

TEMT6000 類似于一個(gè)三極管，不過他的基極不需要接，芯片外接的光敏元件，當(dāng)光照射到感光片上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，然后導(dǎo)通三極管，把一個(gè)模擬量發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)只需要開啟AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)即可。

（四）人機(jī)交互電路

1.OLED 顯示單元。

液晶顯示屏幕選擇的是OLED-0.91 寸長(zhǎng)款屏幕，其引腳功能如下：

GND——電源地

3.3V——電源

SCL——PB12（時(shí)鐘信號(hào)）

SDA——PB13（數(shù)據(jù)信號(hào)）

2.報(bào)警單元。

設(shè)計(jì)報(bào)警單元主要是為了配合按鍵電路的響應(yīng)，當(dāng)按下確定鍵的時(shí)候，蜂鳴器給我們一個(gè)聲音信號(hào)，確保按下，另一方面是當(dāng)周圍環(huán)境不論是大氣壓過高還是溫度過熱的時(shí)候，能給予報(bào)警提示。

電路主要使用三極管開關(guān)特性，配置電阻只讓三極管工作在放大區(qū)或截止區(qū)即可。

3.按鍵電路。

按鍵一測(cè)接地，另外一測(cè)接單片機(jī)IO 口，單片機(jī)IO 口初始化拉高，只需要檢測(cè)低電平即可。

由于屏幕使用的是0.91 寸長(zhǎng)屏幕，測(cè)量的數(shù)據(jù)無法全部顯示在屏幕上，所以需要按鍵操作選擇需要顯示數(shù)據(jù)。

六、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行系統(tǒng)的總體調(diào)試，所以我們需要針對(duì)硬件電路和軟件程序分別進(jìn)行調(diào)試，兩個(gè)分別調(diào)試完成后，才可進(jìn)行系統(tǒng)的總體調(diào)試，具體調(diào)試過程如下：

硬件調(diào)試：

首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，在AD 中繪制完電路圖后，檢查布置如下：

1.檢查IO 口分配是否有問題，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，檢查使用的IO 口，查看IO 口是否和芯片硬件電路有沖突。

2.檢查電源部分電路和電源分配方式，將數(shù)字電路的地和模擬電路的地使用0 歐電阻隔離。

3.繪制PCB 電路圖，繪制的時(shí)候需要注意通信線等長(zhǎng)，過孔等于線寬。

4.繪制完成后進(jìn)行規(guī)則檢查，標(biāo)識(shí)好電路符號(hào)，發(fā)至工廠打板。

5.電路收到后，焊接芯片時(shí)一定要細(xì)致，觀察引腳錫是否有互聯(lián)，清理干凈版面，準(zhǔn)備進(jìn)行上電測(cè)試。

6.上電時(shí)使用直流穩(wěn)壓電源供電，電流從小到大的順序慢慢增加。

7.測(cè)試各模塊上電是否正常，確認(rèn)無誤后進(jìn)行準(zhǔn)備進(jìn)行總體調(diào)試。

結(jié)論：系統(tǒng)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的控制作用，電路中最主要的部分是通過傳感器輸出到單片機(jī)中的數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要完成了以下工作：

1.通過溫濕度檢測(cè)模塊（SHT30）檢測(cè)空氣溫度濕度情況。

2.通過大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊（BMP280 檢測(cè)大氣壓強(qiáng)。

3.通過心率血氧檢測(cè)模塊（MAX30102）檢測(cè)使用者心率情況和血氧含量。

4.通過光照檢測(cè)模塊（TEMT6000）檢測(cè)光照。

5.通過OLED 顯示單元顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。

6.通過按鍵電路提供操作界面。

7.通過報(bào)警單元進(jìn)行聲音報(bào)警。