PAGEPAGE25單片機(jī)智能脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10067單片機(jī)智能脈搏監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計案例 192661硬件電路設(shè)計 1303731.1總體電路設(shè)計 19051.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計 2291411.3計步模塊電路設(shè)計 4171391.4心率傳感器模塊電路設(shè)計 5109481.5溫度模塊電路設(shè)計 651881.6顯示模塊電路設(shè)計 875811.7電源電路設(shè)計 9301992系統(tǒng)軟件設(shè)計 10322332.1程序編寫 10103752.2程序設(shè)計 10166392.2.1系統(tǒng)主程序設(shè)計 10203662.2.2心率模塊程序設(shè)計 1194192.2.3溫度模塊程序設(shè)計 13284542.2.4計步模塊電路程序設(shè)計 1552542.2.5顯示模塊程序設(shè)計 161硬件電路設(shè)計1.1總體電路設(shè)計本系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、計步模塊、心率模塊、溫度模塊、液晶顯示模塊以及電源組成。心率模塊計步模塊溫度模塊顯示模塊心率模塊計步模塊溫度模塊顯示模塊電源模塊單片機(jī)計步檢測模塊采集人體的運(yùn)動加速度大小，然后使用人體步數(shù)傳感器就可以對其人體的步數(shù)分量，檢測板在人體的每一步進(jìn)行走狀態(tài)(檢測裝置的板可直接放置在板的手腕上)，計算板的步數(shù)和人體行走時的距離。心率檢測模塊數(shù)據(jù)中心的頻率溫度傳感器可以實(shí)時測量檢測人的心率，溫度檢測模塊的內(nèi)部溫度由溫度傳感器進(jìn)行檢測。采集心率時，手指輕輕按壓，不要擠壓或留空隙。LM393上的藍(lán)白電位計可調(diào)整靈敏度。顯示模塊由LCD1602實(shí)時顯示步數(shù)、距離、心率和溫度。1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計STM32單片機(jī)就是整個系統(tǒng)的核心元器件，這個元器件可以對整個單片機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行控制，對于當(dāng)前的單片機(jī)有著非常多優(yōu)良的特點(diǎn)，比如其體積比較小，并且功能也比較全面，所以現(xiàn)在關(guān)于單片機(jī)的使用也開始越來越廣泛，現(xiàn)在對于單片機(jī)的運(yùn)用已經(jīng)深入到我們生活的各個方面之中，同時對于STM32單片機(jī)僅僅只是我們生活中的一種，根據(jù)本次設(shè)計的需求，我們根據(jù)設(shè)計的功能以及需求，將選擇STM32芯片作為主控的芯片，這種型片造價比較低，并且其具備的功能完全符合本次設(shè)計的需求。STM32性能線系列包括一個高性能ARMM332位MISC內(nèi)核，運(yùn)行頻率為72MHz，高速嵌入式內(nèi)存(128k每個字節(jié)，sram20k每個字節(jié))，以及一個連接了一到兩條srapb總線的各種性能增強(qiáng)型號的I/O和外圍設(shè)備。本次系統(tǒng)中所選擇的STM32系列單片機(jī)有著高性能控制功能，在該單片機(jī)的內(nèi)部有著高速的存儲器以及較為豐富的輸入輸出端口，并且其端口就會直接和APB的總線進(jìn)行連接。在其類型的設(shè)備之中就有著兩個ADC以及三個定時器。其中還包含有一些通信接口。STM32F103系列單片機(jī)的電源電壓大小在2V到1.6V電壓之間。這些功能就可以確保本次設(shè)計的需求。在該單片機(jī)的內(nèi)部有著高速的存儲器以及較為豐富的輸入輸出端口，并且其端口就會直接和APB的總線進(jìn)行連接，足以滿足系統(tǒng)的需求。在整個設(shè)計中用到的管腳有PA0～PA3,PA6～PA11,PB0,PB1,PB6～PB11。對于這些外設(shè)的裝置而言，就可以使得整個STM32F103C8T6單片機(jī)能夠廣泛的使用在各個場合之中：1、在電機(jī)的驅(qū)動之中對電機(jī)的速度進(jìn)行控制；2、在當(dāng)前的PC游戲的外設(shè)之中；3、在當(dāng)前的PLC、變頻器以及打印機(jī)等設(shè)備之中也可以應(yīng)用。根據(jù)您選擇的設(shè)備（包括不同的外圍設(shè)備集），以下描述總結(jié)了本系列中提供的所有外圍設(shè)備。這些特性使STM32性能線微控制器系列適合廣泛的應(yīng)用。圖1.2單片機(jī)主控電路圖1.3計步模塊電路設(shè)計在計步模塊的設(shè)計中我將選用傾角傳感器模塊實(shí)時檢測相關(guān)的狀態(tài)信息。這個高加速度運(yùn)動傳感器儀的設(shè)計理念是一款小型、超薄、超低和高功耗的三軸高速運(yùn)動矢量加速度計，具有多種類型高分辨率(13位)，測量運(yùn)動速度最大范圍為±16克。數(shù)字補(bǔ)碼輸出接口數(shù)據(jù)格式為16位數(shù)的二進(jìn)制數(shù)字補(bǔ)碼數(shù)據(jù)格式，可通過接口spi(3線或4線)或sii2ci等數(shù)字輸出接口進(jìn)行訪問。并且這個自動傾角角度傳感器系統(tǒng)可以用來測量用于傾斜角度探測器在應(yīng)用領(lǐng)域中的一些靜態(tài)物體重力運(yùn)動加速度，以及由于物體運(yùn)動或受到撞擊而可能產(chǎn)生的其他動態(tài)重力加速度。它的多種高分辨率圖像能夠精確測量高度小于1.0的地形傾角角度變化該檢測設(shè)備能夠提供多種特殊傾角檢測器的功能。還可以具有主動和非主動速度檢測識別功能并且將任何時間軸上的活動加速度與每個用戶自己設(shè)置的活動閾值速度進(jìn)行綜合比較，檢測用戶是否已經(jīng)進(jìn)行了什么樣的活動。任意一個方向的單振和方向雙振振動是由通過沖擊振動檢測器的功能進(jìn)行檢測。自由落體自動檢測器該檢測器在設(shè)備判斷是否發(fā)生墜落時它可以獨(dú)立地將其映射在一到兩個自動中斷器的輸出引腳之一。正在應(yīng)用申請專利的智能集成主機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)管理存儲系統(tǒng)及其使用32級先進(jìn)先出緩沖區(qū)，可廣泛用于實(shí)時存儲海量數(shù)據(jù)，從而能夠最小化應(yīng)用主機(jī)和微處理器內(nèi)存負(fù)載并大大降低主機(jī)總體內(nèi)存系統(tǒng)處理功耗。低功耗工作模式下它支持基于物體運(yùn)動的速度智能控制電源能量管理，用于運(yùn)動閾限數(shù)值運(yùn)動感應(yīng)和基于運(yùn)動瞬間加速度等的測量，功耗非常低。計步模塊原理圖如下圖所示：圖1.3計步模塊原理圖1.4心率傳感器模塊電路設(shè)計脈沖脈搏傳感器是它是一種主要用于進(jìn)行脈搏和運(yùn)動心率速度測量的光電脈沖反射器的模擬脈沖傳感器。把它們配戴在你的手指、耳垂等敏感處，利用人體組織中血管的脈搏透射率不同而引起的脈搏來測量。單片機(jī)將數(shù)據(jù)采集后得到的心率模擬信號的數(shù)值轉(zhuǎn)換成心率數(shù)字信號，通過簡單的心率計算即可得到被測心率的數(shù)值。傳感器對模擬光電源的信號濾波進(jìn)行高速濾波和射頻放大，最后向其輸出一個模擬光源電壓設(shè)定值。脈搏檢測心率自動傳感器是它是一種用來自行檢測脈搏心率的一種傳感器，其實(shí)質(zhì)是一種光學(xué)心率傳感器集成放大電路和消噪電路。該心率傳感器技術(shù)可以被用于幫助開發(fā)與運(yùn)動心率監(jiān)測相關(guān)的交互式系統(tǒng)工作。傳感器裝置可以被配戴在你的手指或者是耳垂上。光電心率傳感器將其與脈搏規(guī)律信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換而成為激光電信號，本檢測裝置工作需要將人的手指水平放在光電傳感器的儀表盤上，光電驅(qū)動傳感器，傳感器內(nèi)部集成了光紋波放大控制電路和激光消聲控制電路，心率規(guī)律傳感器、光電心率傳感器側(cè)面的還有發(fā)光光電二極管(led)，當(dāng)遇到脈搏，指尖或者是耳垂的主動脈血液的容量就會周期性發(fā)生變化，通過它和指尖的電激光輻射強(qiáng)度同時發(fā)生變化。另一個左側(cè)的光電三極管將通過接收器得到的所有紅外光輻射信號轉(zhuǎn)換成紅外電信號。對于心率傳感器而言，其主要使用的就是一個電壓大小為1.8伏的電源以及使用5V的LED的電源，在這樣的情況下就可以使用穿戴的設(shè)備對其心率以及血氧進(jìn)行測量，可以將其佩戴到手指等位置。對于2C的兼容標(biāo)準(zhǔn)，在這樣的情況下就可以對其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)之中。除此之外，對于該芯片而言，就可以直接使用其軟件對該模塊進(jìn)行設(shè)計，等到其電流為0的時候，就可以對其電源保持在一直供電的狀態(tài)之下。就是由于這些特點(diǎn)，所以這種芯片就可以得到廣泛的使用了。其原理依照朗伯-比爾定律的光學(xué)原理，采用光電容積法來檢測血氧濃度。心率傳感器本身就集成了整個LED的驅(qū)動，以及整個數(shù)模轉(zhuǎn)換的部分，并且還可以對整個數(shù)字的濾波部分進(jìn)行消除，只需要將其數(shù)字的接口保留給用戶，在這樣的情況下就會極大的減少其負(fù)載的程度。對于其用戶而言，就可以直接使用單片機(jī)對其數(shù)據(jù)的接口進(jìn)行讀取相應(yīng)的信息，得到的光照強(qiáng)度信息之后，就需要使用相應(yīng)的算法編寫對其心率以及血氧程度進(jìn)行測量。此次增加了LM393電壓比較器模塊。因?yàn)樾穆蕚鞲衅魇悄M量，所以我們要將模擬量通過LM393轉(zhuǎn)化成數(shù)字脈沖量，給單片機(jī)進(jìn)行采集。對于LM393而言，就是一種有著雙有源電壓的集成電路，其器件不需要考慮其與vcc端子輸出電壓的差值。此陷波輸出電流可以被用作簡單的開路sps對地陷波開路(當(dāng)同時應(yīng)用兩個空載直流電阻器時)，其中兩個輸出中的部分開路中的一個陷波輸出電流可能受限于可通過獲得的電源驅(qū)動器和供電設(shè)備的直流β電阻值有所限制。為了實(shí)現(xiàn)測試的靈敏度，還加入了藍(lán)白電位器，LM393上藍(lán)白電位器可以調(diào)節(jié)靈敏度。圖1.4心率模塊電路原理圖1.5溫度模塊電路設(shè)計這次采用的是一種常用的新型無線數(shù)字溫度傳感器的示例如：DS18B20。它的一個讀入端和輸出數(shù)字信號通常是一個模擬數(shù)字信號。這種類型的傳感器有著很多的優(yōu)點(diǎn)，首先這個傳感器的結(jié)構(gòu)非常的簡單，并且體積很小，所以用這個傳感器是一個很好的選擇。采用了數(shù)字DS18B20數(shù)字溫度傳感器主要特點(diǎn)是因?yàn)椴粌H產(chǎn)品接線方便，而且經(jīng)過特殊封裝后各種產(chǎn)品型號可廣泛化地使用于各個不同應(yīng)用場合，比如說產(chǎn)品有不銹鋼管式、螺紋式、不銹鋼式和磁性封裝式、磁鐵式和磁性吸附式各種不同產(chǎn)品型號等。適用于各種小中型空間機(jī)房設(shè)備的溫度數(shù)控測量領(lǐng)域，并可廣泛用于機(jī)房電纜溝密室溫度自動測量、高爐機(jī)房水循環(huán)密室溫度自動測量、鍋爐密室溫度自動測量、機(jī)房密室溫度自動測量、農(nóng)業(yè)倉庫溫室機(jī)房溫度自動測量、潔凈室機(jī)房溫度自動測量，彈藥廠倉庫密室溫度自動測量等非具有極限性的溫度測量場合。耐磨、耐熱易接觸、體積小、使用方便、包裝產(chǎn)品形式多樣。DS18B20技術(shù)參數(shù)：該芯片使用雙向接線的方式直接和電腦進(jìn)行連接，并且該芯片和單線主機(jī)端口微處理器電腦端口雙向連接非常方便讓您只需連接一條單線主機(jī)電腦端口雙向連接線即可讓您開機(jī)即可輕松快速實(shí)現(xiàn)雙線主機(jī)端口微處理器與單線主機(jī)端口DS18B20的雙向通信。固定溫度值的測量誤差范圍一般為0℃~+50℃，固有值的溫度測量誤差，為1℃。DS18B20溫度傳感器式本產(chǎn)品系列具有多種數(shù)字可編程編碼溫度控制分辨率9至12位、溫度控制信號編碼轉(zhuǎn)換器加速率甚至為12位三種數(shù)字編碼溫度格式，最多750毫秒，以及多種工業(yè)用戶可定義的非有機(jī)化學(xué)性和揮發(fā)性有機(jī)氣體可對溫度自動檢測報警控制功能進(jìn)行設(shè)置。DS18B20的最佳工作模式是外電源狀態(tài)，不僅穩(wěn)定可靠，而且還有的好處是抗干擾能力強(qiáng)，電路相比較下相對簡單?？梢赃M(jìn)一步開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。但隨著外接電源的發(fā)展，畢竟只有一根VC線連接到多個寄生電源。在外接電源狀態(tài)下，DS18B20即使電源電壓降至3V，也能充分發(fā)揮大范圍的電源電壓電平，保證測量具有極高的準(zhǔn)確性，溫度誤差極小。為了能保證其在溫度控制模塊中對數(shù)據(jù)流的讀取更穩(wěn)定，10k穩(wěn)定電阻轉(zhuǎn)換為一個上或下拉穩(wěn)定電阻。溫度傳感模塊工作原理主框圖顯示如下：圖1.5溫度模塊原理圖1.6顯示模塊電路設(shè)計在當(dāng)前的生活之中，我們就可以看到各式各樣的液晶顯示屏，就比如現(xiàn)在我們常見的電視顯示屏，這個是一個很大的液晶屏，在本次設(shè)計之中，所使用的就是LCD1602這種類型的液晶屏，本次所使用的LCD1602顯示屏可以對數(shù)字、字?jǐn)?shù)以及漢字進(jìn)行顯示，完全符合本次設(shè)計的基本要求。目前市面上常用的有8段LED數(shù)碼管顯示器，還有一種就是LCD1602液晶顯示。LCD1602是字符型液晶顯示，顯示字符和數(shù)字比較方便，顯示的字跡清晰，它的成本較低，控制也簡單。液晶顯示模塊的設(shè)計主要包括液晶顯示器的選擇，引腳的介紹，最后分析了電路原理的端口接線規(guī)則，給出了液晶顯示模塊的電路仿真圖。主要是單片機(jī)上的輸入和輸出的接口非常多，這就使得單片機(jī)有著很強(qiáng)的邏輯能力以及很強(qiáng)的操作性。對于單片機(jī)在未來的使用也越來越多。對于LCD1602顯示屏本身顯示的字符就比較復(fù)雜，我們需要找到顯示屏幕上的幾個點(diǎn)的位置所對應(yīng)的字符數(shù)字。對于本身帶有的字符類型的控制器來說，對于現(xiàn)實(shí)字符這些類容就簡單很多了，可以直接讓其控制在文本的方式，然后在顯示RAM種找到其相對應(yīng)的地址。對于液晶屏能進(jìn)行顯示的基本原理主要是利用了其液晶的物理性質(zhì)，它能夠通過電壓對其顯示的位置進(jìn)行控制，讓其顯示出相應(yīng)的數(shù)字以及圖形。LCD1602是字符型液晶顯示，顯示字符和數(shù)字比較方便，顯示的字跡清晰，它的成本較低，控制也簡單。其具體集成電路工作原理及框圖設(shè)計如圖及下圖所示：圖1.6顯示模塊電路原理圖1.7電源電路設(shè)計電源設(shè)計是采用的是DC座加上標(biāo)準(zhǔn)的USB電源線，可以將電源標(biāo)準(zhǔn)USB接頭插入到電源，就會實(shí)現(xiàn)通電。圖1.7DC接口而控制電源開關(guān)的按鍵則是由Powerswitch電源開關(guān)，如下圖：圖1.8電源開關(guān)2系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1程序編寫本文在設(shè)計中所采用的單片主板微控制器主要是采用stm32單片機(jī)來工作，在這種編程編碼語言上的實(shí)際使用上，我們所使用的就是C語言，采用C語言對其進(jìn)行編程有著很多的有點(diǎn)，相對于匯編語言來說，C語言更加的簡單，其語言的形式比較精煉，在實(shí)際的編程過程中就可以使用很少的語言，然后就可以呈現(xiàn)出很大的效果。并且在大學(xué)的時候?qū)W習(xí)C語言也比較多，對于C語言的掌握程度也比較好。而其它匯編語言的這些優(yōu)缺點(diǎn)與其他C編程語言的正好完全相反。因此，從當(dāng)前C匯編語言與其他匯編語言的應(yīng)用角度比較從以下一點(diǎn)出發(fā)，體現(xiàn)出了C匯編語言在應(yīng)用程序中的可讀性的優(yōu)勢。2.2程序設(shè)計2.2.1系統(tǒng)主程序設(shè)計主程序的系統(tǒng)初始化：首先它的調(diào)試模式為串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。DMA為12通道的DMA控制器。3個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道）：A/D測量范圍：0-1.6V。雙采樣和保持能力。片上集成一個溫度傳感器。16個外部中斷向量都可以被I/O端端口映射到。開始開始系統(tǒng)初始化計步子程序心率子程序溫度子程序數(shù)據(jù)處理顯示子程序結(jié)束圖2.1系統(tǒng)主程序流程圖2.2.2心率模塊程序設(shè)計心率是每分鐘內(nèi)被測量的心跳次數(shù)，但笨的測量方式是對一分鐘后的脈搏進(jìn)行測量。這樣一來每次測量的效率極低，都得等一分鐘才能出結(jié)果。而對于另外一種測量的方法就是使用器脈沖的一個時間間隔，然后再將其除以每分鐘就可以得到它的值。對于這樣做的方式而言，可以極大的提高其效率，并且可以實(shí)時的對其脈沖進(jìn)行計算。然后就會出現(xiàn)兩個IBI和BPM的概念：IBI：兩個相鄰脈沖之間的時間間隔（ms）；BPM（每分鐘跳動次數(shù)）：心率，一分鐘跳動次數(shù)，BPM=60/IBI。在一種波形的一個周期內(nèi)可以緩存多種波形采樣器的值，計算它的最大采樣值和最小采樣值，在整個計算過程中的采樣值數(shù)和幅度可以作為一個判斷波形閾值的參考信號。通過將當(dāng)前閾的采樣位數(shù)值與前一閾的采樣位數(shù)值與前一閾位數(shù)值之差進(jìn)行相對比較，特征的位點(diǎn)在“信號上升到幅度中間”即可找到它。先把當(dāng)前需要測量的特定時間點(diǎn)記錄下來，再把所找到的下一個測量特征點(diǎn)記錄下來。然后我們計算兩點(diǎn)之間的心率時間差，即計算相鄰兩個搏動脈沖的心率時間差和間隔差為IBI和它的心率平均值為BPM。N開始N開始系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)采樣顯示心率值繼續(xù)計數(shù)結(jié)束顯示數(shù)據(jù)清零清零按鍵下Y圖2.2心率模塊程序設(shè)計流程圖2.2.3溫度模塊程序設(shè)計溫度自動變換接口模塊的設(shè)計應(yīng)用程序數(shù)據(jù)接口端的設(shè)計基本原理也就是完全可以采用單總線上的各種專用數(shù)據(jù)接口技術(shù)，既同時的還可通過其它各種串行數(shù)據(jù)輸出口線，也同時的還可通過其它各種專用I/O口線與專用主控端的微機(jī)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)接口，好處主要在于是不必再重復(fù)需要經(jīng)過其他各種溫度自動變換模塊控制電路，可直接將被測的控制點(diǎn)和測量點(diǎn)的實(shí)際溫度經(jīng)數(shù)值轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。測溫值的測量范圍一般規(guī)定為0°c—+50°c測量測溫值的標(biāo)準(zhǔn)分辨率為0.0625℃。其中還內(nèi)含64位經(jīng)過高速衍射激光無線衍射技術(shù)修正的高速無線只讀只寫數(shù)據(jù)交換存儲器和ROM。適配各種類型溫度寄生單片微電機(jī)或者溫度微系統(tǒng)機(jī)，用戶同時操作可分別任意手動設(shè)定各路溫度寄生驅(qū)動溫度的上、下限，內(nèi)含多路溫