基于STM32單片機(jī)的智能手環(huán)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的智能手環(huán)，具有健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)追蹤和通信等功能。首先，利用心率傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器對(duì)用戶(hù)心率、體溫和步數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用OLED電子顯示屏模塊對(duì)健康指數(shù)進(jìn)行記錄。其次，基于藍(lán)牙模塊，手環(huán)可以與用戶(hù)手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，具有實(shí)時(shí)通知提醒功能。最后，手環(huán)還添加了蜂鳴器模塊，當(dāng)健康指數(shù)超過(guò)或低于預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器會(huì)被觸發(fā)報(bào)警并提醒用戶(hù)。本設(shè)計(jì)能夠解決傳統(tǒng)手環(huán)功能單一、設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題，同時(shí)為智能技術(shù)的發(fā)展提供新的思路。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；心率檢測(cè)；溫度檢測(cè)；計(jì)步器；智能手環(huán)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 216 " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著生活水平提高和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人們開(kāi)始關(guān)注自身的健康狀況。智能穿戴設(shè)備隨之也受到越來(lái)越多的青睞。作為一種便攜式、佩戴舒適的智能設(shè)備，智能手環(huán)受到了廣泛歡迎。本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的智能手環(huán)，綜合運(yùn)用單片機(jī)、傳感器等技術(shù)對(duì)用戶(hù)健康數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，同時(shí)支持與電子設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和通信功能[1]。該設(shè)計(jì)包括STM32單片機(jī)、心率傳感器、溫度傳感器、計(jì)步器、藍(lán)牙模塊和蜂鳴器模塊等，前4個(gè)模塊可以對(duì)人體心率、溫度和步數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。藍(lán)牙模塊的作用是將單片機(jī)與電子設(shè)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，便于實(shí)時(shí)接收和調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析這些數(shù)據(jù)，進(jìn)一步了解用戶(hù)的健康狀況，并將數(shù)據(jù)傳送至OLED顯示屏上，方便人們隨時(shí)查看。蜂鳴器模塊具有報(bào)警和提醒作用，當(dāng)檢測(cè)到健康指數(shù)超出或低于預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器會(huì)立刻報(bào)警并提醒用戶(hù)。綜上所述，該智能手環(huán)符合社會(huì)需求，具有良好的市場(chǎng)價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

1 智能手環(huán)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能介紹

基于STM32單片機(jī)的智能手環(huán)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括軟件和硬件2個(gè)部分。軟件部分是將編寫(xiě)好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的存儲(chǔ)器中，。指令逐條進(jìn)入CPU，并在CPU內(nèi)執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果由I/O接口輸出。硬件部分包括STM32單片機(jī)與溫度傳感器、心率傳感器以及時(shí)鐘傳感器等設(shè)備，根據(jù)原理圖和設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行組裝與焊接，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能[2]，對(duì)人體的心率、溫度和步數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。除此之外，整個(gè)電路系統(tǒng)還包括藍(lán)牙、按鍵和蜂鳴器等模塊，利用藍(lán)牙將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)App，按鍵電路的作用是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換各個(gè)模塊，蜂鳴器的作用是提醒用戶(hù)健康指數(shù)出現(xiàn)異常。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由9個(gè)主要部分構(gòu)成，包括溫度檢測(cè)模塊、心率檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、藍(lán)牙模塊、計(jì)步模塊、顯示模塊、按鍵模塊、蜂鳴器以及STM32控制芯片。這些模塊協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能[2]。STM32控制芯片是本設(shè)計(jì)的核心，可控制其他模塊的運(yùn)行。各個(gè)模塊的程序代碼緩存在存儲(chǔ)器中，單片機(jī)里的CPU按照指令執(zhí)行程序。執(zhí)行結(jié)果為MAX30102心率傳感器檢測(cè)心率、DS18B20溫度傳感器采集人體溫以及ADXL345計(jì)步器統(tǒng)計(jì)運(yùn)動(dòng)步數(shù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。心率檢測(cè)、溫度檢測(cè)、時(shí)鐘顯示、按鍵和計(jì)步器模塊均是將采集的數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此這些模塊的箭頭都是指向STM32單片機(jī)的。液晶顯示、藍(lán)牙和蜂鳴器是將單片機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送到這些模塊，液晶顯示各個(gè)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送到用戶(hù)手機(jī)，蜂鳴器具有報(bào)警功能。

1.2 功能介紹

該手環(huán)以STM32單片機(jī)作為核心控制器，其接口電路如圖2所示。單片機(jī)STM32F103C8為系統(tǒng)的核心部分，在圖2中記為U1。引腳配置一般包括數(shù)字輸入輸出、晶振輸入/輸出、通信接口、時(shí)鐘和復(fù)位等。通過(guò)引腳與其他模塊進(jìn)行連接，運(yùn)行后可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。心率檢測(cè)模塊和溫度檢測(cè)模塊的作用分別為采集人體的心率和體溫?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)主要是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信傳輸?shù)绞謾C(jī)；計(jì)步器通過(guò)記錄步數(shù)來(lái)反映運(yùn)動(dòng)量。檢測(cè)的心率、溫度、步數(shù)、時(shí)間的數(shù)值后顯示在液晶屏上，方便使用者隨時(shí)查看身體各項(xiàng)健康指數(shù)。這個(gè)手環(huán)還具有報(bào)警功能，如果心率、體溫和步數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，那么聲光報(bào)警器會(huì)發(fā)出響聲，同時(shí)紅燈被點(diǎn)亮。除此之外，手環(huán)上的按鍵系統(tǒng)可用于切換功能、調(diào)整設(shè)置等操作。在按鍵操作過(guò)程中手環(huán)上可以顯示用戶(hù)的健康數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和通知等。如果用戶(hù)的某一項(xiàng)健康指數(shù)偏高或偏低，警報(bào)器就會(huì)立馬發(fā)出報(bào)警提醒，該功能能夠?yàn)橛脩?hù)提供安全保障，將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

2 智能手環(huán)硬件設(shè)計(jì)

基于STM32單片機(jī)智能手環(huán)的硬件設(shè)計(jì)部分主要包括MAX30102心率傳感器、DS18B20溫度傳感器、ADXL345計(jì)步器模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、蜂鳴器模塊和藍(lán)牙模塊等[2]。該設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)型號(hào)為STM32-F103C8T6，這是一款基于32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，由意法半導(dǎo)體（ST Micro electronics）生產(chǎn)[4]。該微控制器具有性能高、功耗低、體積小和集成度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家電、汽車(chē)、醫(yī)療、通信和航空等多個(gè)領(lǐng)域，在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居等技術(shù)中具有重要作用。STM32單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要包括負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)的中央處理器、用于連接和控制外部設(shè)備的I/O端口、產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)和控制時(shí)間序列的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器、與其他設(shè)備進(jìn)行通信的串行通信接口、管理各種中斷事件的中斷控制器、驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊運(yùn)行的系統(tǒng)時(shí)鐘以及控制工作電壓、電流并保證單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的電源管理單元。這些部分協(xié)同合作，使單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的功能，使其廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)。

2.1 心率檢測(cè)模塊

心率檢測(cè)采用MAX30102傳感器。MAX30102是一個(gè)集成的心率監(jiān)測(cè)傳感器模塊，可在手環(huán)上進(jìn)行心率采集、檢測(cè)[5]。大窗口的左邊小窗口里有3個(gè)LED燈，它們會(huì)發(fā)出紅光和紅外光等；右邊的小窗口相當(dāng)于一個(gè)光源反射接收器。當(dāng)檢測(cè)心率時(shí)，須將手指放在窗口上，此時(shí)感應(yīng)光源照射到手指上。隨著心臟跳動(dòng)，血液也會(huì)像脈沖一樣流過(guò)，照射到手指上的紅光會(huì)被紅色血液吸收一部分，其他部分被反射到接收器上。采集反射回來(lái)的信號(hào)，可以得到反射回來(lái)的光的強(qiáng)度。發(fā)射光源類(lèi)似沖激信號(hào)，反射回來(lái)的光同樣如此。由反射光得到的沖激信號(hào)的頻率其實(shí)就是心臟跳動(dòng)的頻率，由此可檢測(cè)用戶(hù)心率。

2.2 溫度檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。該傳感器內(nèi)部集成了1個(gè)溫度傳感器和1個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）[6]。溫度傳感器的核心器件是溫度敏感電阻器，隨著溫度變化，其電阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用是將溫度傳感器采集的溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將其傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)里，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，得到精確的溫度值。因此傳感器測(cè)得的溫度值精度和分辨率更高，可以提供0.5 ℃的溫度精度。DS18B20通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，只需要接2個(gè)引腳即可完成數(shù)據(jù)傳輸和供電。該傳感器有一個(gè)金屬探頭，在測(cè)溫過(guò)程中，溫度傳導(dǎo)更快、靈敏度更高。

2.3 計(jì)步器模塊

計(jì)步功能由ADXL345加速度傳感器實(shí)現(xiàn)。ADXL345是一種性?xún)r(jià)比較高的三軸加速度傳感器，其具有體積小、功耗低以及測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制作便攜計(jì)步器領(lǐng)域[7]。它的主要作用是采集數(shù)據(jù)，并將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將加速度的變化值輸送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換模塊[8]。計(jì)步器的原理是通過(guò)檢測(cè)人體行走時(shí)腳步的振動(dòng)來(lái)判斷步數(shù)。加速度傳感器能夠檢測(cè)人體行走過(guò)程中的腳步的振動(dòng)，并將這些振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。分析加速度信號(hào)可以評(píng)估人體的行走狀態(tài)。利用算法對(duì)三軸加速度傳感器的角度進(jìn)行計(jì)算，再利用計(jì)算的角度推算用戶(hù)的步數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)步的功能[8]。計(jì)步器電路如圖3所示，其中ADXL345為加速度傳感器，記為U。該計(jì)步器可以通過(guò)SPI（3線(xiàn)或4線(xiàn)）或IC2數(shù)字接口訪(fǎng)問(wèn)，非常適用于移動(dòng)設(shè)備。

2.4 時(shí)鐘模塊

DS1302是一款高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它只需要較小的電流就能啟動(dòng)時(shí)鐘傳感器，使用簡(jiǎn)單串口就可以將其與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信連接，并顯示年月日、時(shí)分秒和星期。時(shí)鐘模塊可以使用12 h或24 h計(jì)時(shí)，本設(shè)計(jì)采用的是24 h計(jì)時(shí)[9]。時(shí)鐘模塊電路原理如圖4所示，其中實(shí)時(shí)時(shí)鐘串行計(jì)時(shí)芯片DS1302為原理圖的第三部分，記為U3。該設(shè)備利用同步串行通信與單片機(jī)進(jìn)行交互，具有RST（復(fù)位）、I/O（輸入輸出）和SCLK（串行時(shí)鐘）接口。在斷電情況下，時(shí)鐘電路會(huì)生成一個(gè)電子信號(hào)，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕箷r(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)作。串行數(shù)據(jù)傳輸不僅能為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，還允許隨時(shí)關(guān)閉充電功能[10]。當(dāng)SCLK為低電平時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，相鄰操作間有1個(gè)上升沿和1個(gè)下降沿，設(shè)定工作最低電壓為3 V，最高電壓為5 V，運(yùn)行程序可得到時(shí)鐘模塊模擬分析仿真圖（如圖5所示），SCLK的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)始，下降沿是數(shù)據(jù)有效的結(jié)束，只有在SCLK為低電平情況下，數(shù)據(jù)才會(huì)被鎖存，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.5 蜂鳴器模塊

蜂鳴器電路原理如圖6所示。蜂鳴器電路由電阻、三極管和蜂鳴器3個(gè)部分組成，由單片機(jī)的I/O端口控制蜂鳴器。由于啟動(dòng)蜂鳴器需要較大電流，不能直接連接單片機(jī)，因此要加1個(gè)三極管。三極管具有放大電流（放大200倍）的作用，加1 kΩ電阻是為了進(jìn)行限流。將三極管整體作為蜂鳴器的開(kāi)關(guān)，運(yùn)行后的蜂鳴器工作模擬分析仿真如圖7所示。在三極管基極端電阻前輸入一個(gè)脈沖波，設(shè)定最低工作電壓為3 V，最高工作電壓為5 V，脈沖寬度為167 ms，輸出端放置1個(gè)探針。當(dāng)單片機(jī)的輸出口電平為高電平時(shí)，電流會(huì)通過(guò)蜂鳴器中的線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)會(huì)吸引蜂鳴器中的振動(dòng)片向電磁鐵靠近，并與之接觸。由于振動(dòng)片和電磁鐵間的接觸是周期性的，因此振動(dòng)片會(huì)產(chǎn)生周期性振動(dòng)，從而引起蜂鳴器殼體內(nèi)氣體的周期性振動(dòng)，最終發(fā)出聲波。

2.6 藍(lán)牙模塊

采用HC-05主從一體的藍(lán)牙模塊進(jìn)行單片機(jī)與手機(jī)App間的通信傳輸[10]。HC-05模塊可以與PDA、手機(jī)以及電腦等具有藍(lán)牙功能的設(shè)備進(jìn)行配對(duì)。在手機(jī)上下載1個(gè)智能手環(huán)App，打開(kāi)手機(jī)的藍(lán)牙功能進(jìn)行配對(duì)。一旦連接成功，就能夠繞過(guò)內(nèi)部藍(lán)牙通信協(xié)議，將HC-05藍(lán)牙模塊直接用作串口，手機(jī)將能夠控制電路板進(jìn)行功能切換。各個(gè)模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)CPU處理并得到準(zhǔn)確數(shù)值后，通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)接脩?hù)的手機(jī)，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)查看。本文設(shè)置人的正常心率范圍為60次/min～100次/min，溫度為15 ℃～37.3 ℃。

3 智能手環(huán)軟件設(shè)計(jì)

本文智能手環(huán)的軟件設(shè)計(jì)主要是編寫(xiě)各個(gè)模塊的程序代碼，編譯運(yùn)行成功后將程序燒錄到單片機(jī)里。將這些程序存放于存儲(chǔ)器中等待CPU執(zhí)行。所有程序運(yùn)行完成后由I/O口輸出，輸出數(shù)據(jù)將顯示在OLED電子顯示屏上。

主程序模塊的運(yùn)行過(guò)程如下所示。系統(tǒng)接通電源后需要配置各個(gè)傳感器的引腳，然后初始化集成電路總線(xiàn)（Inter-Integrated Circuit，IIC），由OLED進(jìn)行液晶顯示，利用ADXL345進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集完成后藍(lán)牙串口會(huì)初始化，等待發(fā)送數(shù)據(jù)。DS18B20進(jìn)行溫度采集，心率傳感器獲取當(dāng)前心率值，時(shí)鐘顯示當(dāng)前時(shí)間。再將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)端，并控制OLED顯示當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)。進(jìn)而進(jìn)入按鍵掃描，判斷按鍵是否按下，如果按下，那么處理按鍵掃描函數(shù)。使用Keilu Vision 5軟件編寫(xiě)整個(gè)系統(tǒng)程序，并進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，檢驗(yàn)所編寫(xiě)的程序是否能夠順利運(yùn)行。最后檢查各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，采用模塊化編程的方法對(duì)心率檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊以及計(jì)步器等各模塊分別進(jìn)行程序編寫(xiě)。在編寫(xiě)程序過(guò)程中建立工程文件，并命名為project，進(jìn)而開(kāi)始編寫(xiě)程序、編譯并運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于市場(chǎng)需求分析和STM32單片機(jī)的特性，設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)且功能豐富、穩(wěn)定可靠的智能手環(huán)。設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注主要功能的實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化用戶(hù)界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和算法，以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該智能手環(huán)在步數(shù)統(tǒng)計(jì)、心率監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等方面的可行性和準(zhǔn)確性。利用溫度和心率傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，可以得到用戶(hù)健康指標(biāo)，進(jìn)一步提高用戶(hù)的生活質(zhì)量。利用手機(jī)與手環(huán)的藍(lán)牙通信功能，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)手環(huán)的數(shù)據(jù)。該智能手環(huán)在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分發(fā)揮了STM32單片機(jī)的資源和特性，優(yōu)化了任務(wù)調(diào)度、電源管理以及低功耗設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠?qū)囟?、步?shù)以及測(cè)心率等功能進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換，具有效能高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)還具有良好的用戶(hù)交互性和信息展示性，符合用戶(hù)對(duì)智能手環(huán)的期望。

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通信作者：梁成功（1980—），男，山西忻州市人，副教授，研究方向?yàn)槟蹜B(tài)物理、電子科學(xué)與技術(shù)。

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