基于STM32單片機(jī)的人體健康檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄基于STM32單片機(jī)的人體健康檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 1 11.2主控模塊的分類及選擇 21.3傳感器的分類及選擇 21.2.1溫度傳感器選型 21.2.2脈搏采集的方法及選型 3 41.5總體設(shè)計(jì)方案 4 52.1主控模塊設(shè)計(jì) 52.1.1STC89C52芯片介紹 52.1.2主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 82.2體溫采集模塊的設(shè)計(jì) 2.1.1DS18B20的介紹 2.1.2DS18B20的測溫原理 2.1.3體溫采集電路設(shè)計(jì) 2.3脈搏采集模塊的設(shè)計(jì) 2.2.1ST188傳感器的介紹 2.2.2脈搏采集電路的設(shè)計(jì) 2.4顯示模塊的設(shè)計(jì) 2.4.1LCD1602的介紹 2.4.2LCD1602的引腳介紹 2.4.3顯示模塊的電路設(shè)計(jì) 1.1課程設(shè)計(jì)目標(biāo)(1)實(shí)現(xiàn)對人體體溫、心率的測量；(3)檢測到的體溫和心率顯示在LCD屏幕上。1.2主控模塊的分類及選擇特點(diǎn)也不相同，通過前期調(diào)查，了解到了目前市場上常MCS-51系列的單片機(jī)和STM32單片機(jī)，兩者的功能特點(diǎn)不太一樣，現(xiàn)對他們第一種方案是51系列的單片機(jī)。51單片機(jī)可以說為同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的一種。該單片機(jī)為8位的單片機(jī)，具有2K-4K的內(nèi)部存處理器的數(shù)據(jù)長度是32位，具有豐富的外圍接口，強(qiáng)大的速度和功能以及的單片機(jī)的功能與51單片機(jī)相比的更為強(qiáng)大，并且STM32具有強(qiáng)大的內(nèi)存，但由于本次設(shè)計(jì)的目的憑借51單片機(jī)就可達(dá)到，并且51單片機(jī)的成本更為理想，所以本次設(shè)計(jì)的主控芯片選用51系列的單片機(jī)。1.3傳感器的分類及選擇傳感器常見的有：熱電偶、熱電阻和總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20,非接觸傳感器常見的有：紅外測溫儀和光學(xué)輻射式高溫計(jì)錯(cuò)誤!未找到引用源?！，F(xiàn)對Pt100熱電偶、DS18B20和紅外溫度探測器進(jìn)行比較與分析，進(jìn)而選擇本次設(shè)計(jì)中所要用第一種方案選擇是Pt100熱電偶溫度傳感器。該傳感器測溫范圍非常寬，溫度范圍為-250℃到850℃之間，然而外界環(huán)境容易對冷端溫度造成影響，從而對電偶要將測量的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)而傳輸?shù)紺PU,需要對采集的信號信號進(jìn)第二種方案選擇是新型溫度傳感器。以DS18B30為例，該傳感器具有三個(gè)第三種方案選擇是紅外溫度探測器。該傳感器可不用與被測物理接觸，可將收集到的熱輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號，測溫范圍為0℃到400℃之間，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測量，對于測量運(yùn)動中的物體有一定的優(yōu)勢，但其成本較高。綜上所訴，選擇數(shù)字溫度傳感器，該類型的傳感器可以降低成本，并且采集電路更為簡單，可直接進(jìn)行仿真，因此本次開發(fā)選用DS18B20溫度傳感器來評估人體溫度。1.2.2脈搏采集的方法及選型正常情況下，心率與脈搏的數(shù)值是相同的，其單位為：次/min。正常人的脈搏跳動每分鐘通常為60-100次，可以根據(jù)這個(gè)來設(shè)計(jì)報(bào)警的范圍。由于現(xiàn)在社會壓力越來越大，通常不會花費(fèi)一分鐘的時(shí)間來測量脈搏，一般都是測量十秒內(nèi)的脈搏跳動值，然后將其乘以六，得到一分鐘的脈搏值。常見的脈心電信號法、光電體積法、壓力傳感器測量等錯(cuò)誤!未找到引用源。o第一種方法是心電信號法。心電圖一般用于臨床醫(yī)學(xué)中，醫(yī)生通過分析心電圖來進(jìn)行脈搏值的計(jì)算。第二種方法是光電體積法。該方法的主要核心為光電傳感器，其原理可以歸納為跟蹤可見光在人體組織中的反射。以人的手指組織為例，可見光穿透人的骨骼、皮膚、脂肪等血液組織和非血液組織后，可見光會產(chǎn)生一定的能量衰弱，其衰弱通常為固定值。然而毛細(xì)血管和靜脈動脈會傳送一定的血紅蛋白，會使脈搏的容積產(chǎn)生變化，因此通過檢驗(yàn)可見光的反射強(qiáng)弱來檢測人體的脈搏信號，其原理圖如圖2-1所示。第三種方法是壓力傳感器檢測。這種測量方法的靈感主要來自于中醫(yī)學(xué)中的診脈，通過血壓的變化來檢測心率。然而壓力傳感器在市場中不易買到，而且其設(shè)計(jì)不適合用作測量人體的脈搏。因此，選用光電體積法來監(jiān)測人體心率。由于現(xiàn)在市場上通常選用ST188光電傳感器，選則該光電傳感器，將采取到的信號進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換后，形成電信號，進(jìn)而測得人體的心率值。心臟收縮/舒張綠色第一種方法是LED數(shù)碼管。該顯示器是由發(fā)光二極管拼裝而成的，可以顯示數(shù)字0-9,并且占用單片機(jī)總線少，并且程序簡答，易于仿真，適用于進(jìn)行人第二種方法是LCD液晶顯示屏。該類顯示器即可顯示字符，也可顯示數(shù)字的顯示，因此選擇LCD1602作為顯示模塊即可。1.5總體設(shè)計(jì)方案本次開發(fā)選擇STC89C52作為主控芯片，溫度傳感器DS18B20用于采集人擬量后，將其處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過顯示屏LCD1602顯示出被測用戶的體健康的監(jiān)控。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2-2顯示。電源模塊電源模塊報(bào)警模塊溫度采集模塊脈搏采集模塊顯示模塊按鍵模塊圖2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第二章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)MCS-51單片機(jī)是8位微處理器，MCS-51系列共有兩種類型，其中一種為主要區(qū)別是在于：51子系列的片內(nèi)ROM容量為4KB、片內(nèi)RAM容量為128B,51子系列的片內(nèi)ROM為8KB,片內(nèi)RAM為256B,并且定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷源的個(gè)數(shù)也不同錯(cuò)誤!未找到引用源。。從整理上來說，52子系列相比于51系列，其內(nèi)存增大了，屬于增強(qiáng)型，所以選用STC89C52作為主控模塊。2.1.1STC89C52芯片介紹圖3-1為STC89C52的基本結(jié)構(gòu)。外部時(shí)鐘外部時(shí)鐘并行總線擴(kuò)展控制器控制中斷控制器外部中斷外部計(jì)數(shù)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)存儲器程序存儲器全雙工串行口圖3-1單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)(1)具有一個(gè)8位CPU。(2)具有256B的片內(nèi)RAM,可以用來讀/寫數(shù)據(jù)。(3)具有4KB的FlashE2PROM,用來存放程序、采集到的數(shù)據(jù)等。(4)具有4個(gè)8位并行I/O□,分別為P1、P2、P3、P4,用來傳輸或者接受(6)具有3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。通過編程可以控制其工作方式。(7)具有6個(gè)或7個(gè)中斷源。(8)具有片內(nèi)振蕩器，最高允許的的振蕩頻率fosc可達(dá)到12MHz,(9)具有111條指令，有較強(qiáng)的位尋址和微操作能力。(10)片內(nèi)采用單總線的結(jié)構(gòu)其引腳圖如圖3-2所示。(1)XTAL1和XTAL2(19/18腳):為時(shí)鐘電路引腳。與晶體振蕩器本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘作為其工作方式，圖3-3為晶振電路的模擬圖。十9(2)RST(9腳):RST為復(fù)位引腳。若該引腳輸入了持續(xù)兩個(gè)Tcy(機(jī)器周期)PO/P1/P2/P3初始化為FFH,SP初始化為07H,PSW.3和PSW.4回到0號寄存器組，其余均為00H。(3)PSEN(29腳):該引腳為程序存儲選擇信號輸出引腳，作為外部程序存儲(4)ALE(30腳):地址鎖存允許信號。該信號跟是否外接存儲器有關(guān)。單片P0.0-P0.7□就輸出低8位的地址信號。反之，PO□就輸出低8位的數(shù)據(jù)信號。(5)EA(31腳):片內(nèi)外存儲器選用端。該引腳接入的信號等于0,即接入低電平時(shí)，只使用外部ROM。反之，介入高電平時(shí)，先使用內(nèi)部ROM,再使用外(6)P0.0-P0.7(39腳~32腳):P0□?？勺鳛閿?shù)據(jù)線，也可當(dāng)作地址線。具體功能由ALE引腳的狀態(tài)來決定。(8)P1.0-P1.7(21腳~28腳):P2□。外接存儲器時(shí)，其作為地址線的高8位(9)P2.0-P2.7(10腳~17腳):P3□?？勺鳛闃?biāo)準(zhǔn)的雙向I/O□,但其還具備第P2.2:(INTO)外部中斷0輸入。P2.3:(INT1)外部中斷1輸入。P2.4:(TO)定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部計(jì)數(shù)輸入。P2.5:(T1)定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部計(jì)數(shù)輸入。P2.6:(WR)外部RAM寫控制。P2.7:(RD)外部RAM讀控制。同，其內(nèi)部沒有上拉電阻。每個(gè)接口由4部分組成：數(shù)據(jù)鎖存器、輸入緩沖器、先設(shè)計(jì)晶振電路，該設(shè)計(jì)采取外部時(shí)鐘的工作方式，本次設(shè)計(jì)中晶振工作頻率為12MHZ,如圖3-5所示，所以其機(jī)器周期為12÷12=1us。機(jī)器周期的定義為：微處理器CPU完成一個(gè)獨(dú)立操作所需要的時(shí)間錯(cuò)誤!未找到引用源。。機(jī)器周期、狀態(tài)周期和振蕩周期的時(shí)間關(guān)系如圖3-4所示。S1圖3-6為設(shè)計(jì)的復(fù)位電路。在復(fù)位RET腳上接上一個(gè)按鈕，按下按鈕達(dá)到由于電容的特性，它通直流，隔交流，所以R2兩端的電壓基本相等。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，C3被按鈕短路了，此時(shí)C3就會向R2放電。按鈕按下超過2us,單<TEXT>.Z945只2.2體溫采集模塊的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)體溫采集通過溫度傳感器DS18B20來完成。DS18B20是DALLAS公司推出一線式數(shù)字溫度傳感器，它可將采集到的溫接口簡單等特點(diǎn)。圖3-8為其管腳圖，該傳感器共有三個(gè)引腳。其中VDD為工DS18B20TO-92封裝底視圖Nc[NC呂NCNCNC342675812.1.2DS18B20的測溫原理DS18B20的原理圖如圖3-9所示。減到0減到0計(jì)數(shù)門接收到的工作指令由溫度傳感器發(fā)送(我們通常選用對溫度敏感的高溫度系數(shù)振蕩器),開始工作前，查詢溫度基數(shù)表格，將指定溫度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別輸入到減法計(jì)數(shù)器與溫度寄存器中。具體的工作原理如下：低溫系數(shù)晶振所發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過減法計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一次減法基數(shù)運(yùn)算，減法計(jì)數(shù)器設(shè)置的初始參考參數(shù)歸零時(shí)溫度寄存器的數(shù)值隨之上升1,同時(shí)減法計(jì)數(shù)器的參數(shù)將會再次刷新至初始參考參數(shù)，減法計(jì)數(shù)器繼續(xù)接收來自低溫度系數(shù)晶振的輸出頻率轉(zhuǎn)化而成的電信號工作運(yùn)算。圖3-10為DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。邏輯單元C暫存器溫度警告高8位(5)溫度警告低8位(5)配置寄存器(EEPROM)該傳感器內(nèi)部有一個(gè)64位的ROM,圖3-11所示。CRC為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，是為了檢驗(yàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否有誤而設(shè)計(jì)的。8b檢驗(yàn)CRC48b序列號8b工廠代碼(10H)圖3-1164位ROM傳感器內(nèi)部還有一個(gè)高速緩存器，如圖3-12所示。DS18B20的精度就是由高速緩存器中的第五個(gè)字節(jié)的RO和R1所確定，也就是在配置寄存器中進(jìn)行指定。如圖3-13所示，該設(shè)計(jì)中的分辨率為0.0625。保留保留保留LSB11111存在高速緩存器中的第1和第2個(gè)字節(jié)中，一共有16位，如果溫度大于0,則前5位均為0,若溫度小于0,則這五位為1。例如，若顯示的數(shù)據(jù)為07D0H(0000011111010000),轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為2000,將其乘以0.0625等于125,又由于數(shù)據(jù)的前五位為0,所以實(shí)際溫度為+125℃。體溫采集電路設(shè)計(jì)如圖3-14所示。324圖3-14溫度采集電路由于DS18B20為單總線傳感器，輸入和輸出為同一個(gè)通道，發(fā)送時(shí)為開漏個(gè)上拉電阻保證其可靠性錯(cuò)誤!未找到引用源。O2.3脈搏采集模塊的設(shè)計(jì)本次開發(fā)選擇ST188光電傳感器來采集被測用戶的脈搏信號。采集到的信能夠更好的對其進(jìn)行觀察和研究。我所使用的Pr以再設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵電路，來模擬脈搏的跳動。如圖3-15所示。光電傳感器放大電路有源濾波電路整形電路2.2.1ST188傳感器的介紹ST188主要指通過收集紅外線的強(qiáng)度，通過強(qiáng)度的大小的差異，進(jìn)而輸出大小不同的電信號。而紅外線的強(qiáng)度主要是由可見光穿透人體，經(jīng)反射后的發(fā)送回傳感器的強(qiáng)度決定，通過和特定的光電強(qiáng)度相比較，經(jīng)過放大整形電路后，輸出的也就是不同的電壓。其內(nèi)部電路如圖3-16所示。C通過ST188所得到的信號一般比較小，需要在后面加一個(gè)放大濾波電路。濾波電路一般分為電感濾波和電容濾波。電容濾波屬于電壓濾波，因?yàn)殡娙萦型ń桓糁钡奶攸c(diǎn)，當(dāng)接通交流電路時(shí)，電容器不會放電，因此輸出的為直流電壓。電感濾波屬于電流濾波，當(dāng)電路中電流比較大時(shí)，常常采用這種濾波電路，由于電路中存在電感，因此輸出的電流較為平緩。2.2.2脈搏采集電路的設(shè)計(jì)由于版本落后，無法進(jìn)行紅外線仿真，因此設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵電路，圖3-17就是所設(shè)計(jì)的電路。 脈搏模擬輸入F4P2.2與按鈕連接，來模擬脈搏的輸入。通過規(guī)定在10s內(nèi)用戶按下的次數(shù)來計(jì)算一分鐘內(nèi)心臟跳動的次數(shù)。由于本設(shè)計(jì)還安裝報(bào)警系統(tǒng)，所以P2.4、P2.5、P2.6連接一個(gè)按鍵，其功能分別為：減小報(bào)警心率值、增加報(bào)警心率值、改變報(bào)警心率值，P2.7連接蜂鳴器，當(dāng)超過規(guī)定的上下限時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。2.4顯示模塊的設(shè)計(jì)LCD(LiquidCrystalDisplay)為液晶顯示屏的英文簡稱，該元件可以用來進(jìn)行計(jì)算機(jī)的屏幕顯示。本次設(shè)計(jì)選擇顯示器LCD1602來進(jìn)行用戶體溫和脈搏數(shù)據(jù)的顯示。2.4.1LCD1602的介紹HD44780作為LCD1602的控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，例如讓字符左移、右移，并且還能夠讓字符閃爍。該顯示模塊為16×2的字符型顯示單元，與主控芯片進(jìn)行通信時(shí)，共有兩種傳輸方式：8位并行傳輸和4位并行傳輸。本次設(shè)計(jì)采用前者的傳輸方式來完成單片機(jī)與液晶顯示的連接。其引腳圖如圖3-18所示。2.4.2LCD1602的引腳介紹該顯示器是由兩塊平行導(dǎo)電玻璃構(gòu)成，在兩塊板子中填入液晶材料。當(dāng)通電時(shí)，液晶分子受到電場的作用會進(jìn)行扭曲變形，以不同的方式進(jìn)行排列，在遮光和透光比例不同的情況下，形成錯(cuò)落有致的圖像。在本次設(shè)計(jì)中，采用LCD1602液晶顯示模塊，即16×2的字符型顯示單元，顯示字母、數(shù)字、標(biāo)記等點(diǎn)陣式LCD,圖3-19為其引腳說明。引腳說明引腳說明1電源地92電源正極34數(shù)據(jù)/命令選擇端(H/L)5讀/寫選擇端(H/L)6E78(3)VEE引腳：偏壓信號引腳。它的作用為：改變顯示器的對比度。電位器對