嵌入式運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)(手環(huán))控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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生物醫(yī)學(xué)信號(hào)指標(biāo)與人體的健康息息相關(guān)，只有掌握其中規(guī)律才能更好的解決人體的健康問題。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)高精度便捷式生物醫(yī)學(xué)信號(hào)電子檢測(cè)設(shè)備的需求越來越高。而心率和步數(shù)又是人體的兩個(gè)重要指標(biāo)。

本設(shè)計(jì)由STM32F103C8T6單片機(jī)核心板電路、ADXL345傳感器電路、心率傳感器電路、溫度傳感器和lcd1602電路組成。

通過重力加速度傳感器ADXL345檢測(cè)人的狀態(tài)，計(jì)算出走路步數(shù)、走路距離和平均速度；通過心率傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)心率；通過溫度傳感器檢測(cè)溫度；通過LCD1602實(shí)時(shí)顯示步數(shù)、距離和平均速度、心率以及溫度值。

No.1

系統(tǒng)功能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由STM32F103C8T6單片機(jī)核心板電路+ADXL345傳感器電路+心率傳感器電路+溫度傳感器+lcd1602電路組成。

1、通過重力加速度傳感器ADXL345檢測(cè)人的狀態(tài)，計(jì)算出走路步數(shù)、走路距離和平均速度。

2、通過心率傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)心率，通過溫度傳感器檢測(cè)溫度。

3、lcd1602實(shí)時(shí)顯示步數(shù)、距離和平均速度、心率以及溫度值。

本系統(tǒng)具體框圖如下圖所示：

圖1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

No.2

STM32處理器電路設(shè)計(jì)

STM32系列處理器是意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的一種基于ARM7架構(gòu)的32位、支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器。

選擇此款控制芯片是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)并非追求成本的最低或更小的功耗，而是在實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)功能的前提下能夠提供更豐富的接口和功能以便于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的外圍擴(kuò)展電路。

此款控制芯片在完成單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)后上手較為容易，在醫(yī)療器械中應(yīng)用廣泛，具有很好的學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)研究?jī)r(jià)值。

圖2. STM32處理器引腳圖

No.3

LCD1602顯示電路設(shè)計(jì)

LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。其中字段顯示與LED顯示相似，只要送對(duì)應(yīng)的信號(hào)到相應(yīng)的管腳就能顯示。字符顯示是根據(jù)需要顯示基本字符。本設(shè)計(jì)采用的是字符型顯示。

系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，而且不需要外加驅(qū)動(dòng)電路，現(xiàn)在液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個(gè)漢字。

LCD1602主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）顯示容量為16×2個(gè)字符；

2）芯片工作電壓為4.5～5.5V；

3）工作電流為2.0mA（5.0V）；

4）模塊最佳工作電壓為5.0V；

5）字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm。

LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳，其引腳說明如下：

1）第1腳：VSS為地電源。

2）第2腳：VDD接5V正電源。

3）第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。

4）第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。

5）第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。

6）第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

7）第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

8）第15～16腳：空腳。

 LCD1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，說明下表所示：

No.4

傾斜抖動(dòng)傳感電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇傾角傳感器ADXL345模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)相關(guān)的狀態(tài)信息。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高(13位)，測(cè)量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。

ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化。

該器件提供多種特殊檢測(cè)功能?；顒?dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測(cè)有無運(yùn)動(dòng)發(fā)生。敲擊檢測(cè)功能可以檢測(cè)任意方向的單振和雙振動(dòng)作。自由落體檢測(cè)功能可以檢測(cè)器件是否正在掉落。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個(gè)中斷輸出引腳中的一個(gè)。

正在申請(qǐng)專利的集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級(jí)先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。ADXL345模塊接口圖如下圖所示。

圖3. ADXL345傳感器引腳圖

ADXL345模塊內(nèi)部電路圖如下圖所示。U2即為穩(wěn)壓芯片，實(shí)現(xiàn)5V直流電轉(zhuǎn)化為3.3V直流電，C1-C4為濾波電容。R2、R3為上拉電阻，讓信號(hào)輸入更加穩(wěn)定。D1為電源指示燈，R1為限流電阻，來保護(hù)LED燈D1。

圖4. ADXL345傳感電路原理圖

No.5

脈搏心率傳感電路設(shè)計(jì)

脈搏心率傳感器是用來測(cè)試心跳速率的傳感器，實(shí)質(zhì)是一款集成了放大電路和噪聲消除電路的光學(xué)心率傳感器?？梢酝ㄟ^此傳感器開發(fā)出和心率有關(guān)的互動(dòng)作品。傳感器可以戴在手指或者耳垂上。

光電傳感器將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此裝置需要把手指放在傳感器表盤上，光電傳感器，此傳感器是集成了放大電路和噪聲消除電路的光學(xué)心率傳感器，光電傳感器一側(cè)的發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)脈搏跳動(dòng)時(shí)，指尖或者耳垂的動(dòng)脈血管血容量發(fā)生周期性變化，透過指尖的光強(qiáng)度同時(shí)發(fā)生變化。另一側(cè)的光電三極管將接收到的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

為了方便單片機(jī)檢測(cè)心率傳感器的輸出信號(hào)，選擇LM393比較器將波形濾波一下，使傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，更利于單片機(jī)采集，保證了信號(hào)的穩(wěn)定檢測(cè)。

圖5. 脈搏傳感電路原理圖

LM393比較器模塊具體內(nèi)部原理圖如下圖所示。其中R1電阻為分壓電阻，將比較器模塊檢測(cè)到的模擬信息轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，模擬量信號(hào)接入LM393比較器后，即可與LM393比較器芯片2號(hào)引腳所接的電位器分壓后的模擬電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而得出數(shù)字信號(hào)（即方波信號(hào)）。

C1、C2為濾波電容，C1電容對(duì)電源進(jìn)行濾波，讓電源輸出更穩(wěn)定。C2電容對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，保證模擬信號(hào)輸出的穩(wěn)定性。R2、R3均為限流電阻，來保護(hù)LED燈，防止LED燈燒壞，LED燈均為低電平有效。R4為上拉電阻，上拉就是將不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻鉗位在高電平，同時(shí)起限流作用。保證LM393輸出的高低電平信號(hào)在與單片機(jī)引腳連接時(shí)電平信號(hào)的讀取更加穩(wěn)定。

圖6. LM393比較器原理圖

No.6

溫度傳感電路設(shè)計(jì)

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。

圖7. DS18B20傳感電路原理圖

No.7

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用Keil uVision5軟件編寫與調(diào)試程序，程序語言采取易讀性和移植性更高的C語言編寫。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如下圖所示。

圖8. 軟件處理程序流程圖

在搭建調(diào)試平臺(tái)后，需要對(duì)軟件程序進(jìn)行調(diào)試，若程序調(diào)試沒有問題，接下來開始驗(yàn)證系統(tǒng)功能是否滿足要求，若功能有問題，需要繼續(xù)調(diào)試程序，反復(fù)進(jìn)行，直到所有功能都滿足為止。

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