摘  要

隨著科技的飛速發(fā)展，人民的生活質(zhì)量得到極大改善，同時(shí)人們對(duì)自身的健康狀況更加關(guān)注。因此，需要設(shè)計(jì)了一款基于STM32的智能手環(huán)系統(tǒng)，其可顯示步數(shù)、心率、溫度、血氧等數(shù)據(jù)，使人們更快更好地實(shí)時(shí)了解健康情況。

本次設(shè)計(jì)的智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)主要組成是STM32單片機(jī)電路、ADXL345加速度傳感器、心率血氧檢測(cè)電路、OLED液晶顯示電路、電源電路、時(shí)鐘DS1302和DS18B20溫度傳感器組成。通過ADXL345測(cè)量重力加速度，是用來判斷人體狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)的數(shù)值變化進(jìn)行計(jì)步功能。通過心率血氧傳感器測(cè)試，通過手指脈動(dòng)放大經(jīng)過比較器處理后發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行心率血氧采集。并將步數(shù)、心率血氧，溫度、時(shí)間顯示在液晶LCD1602上，并且我們也可以通過藍(lán)牙把當(dāng)前的數(shù)據(jù)發(fā)生到手機(jī)端進(jìn)行顯示，這樣也方便陪練人員隨時(shí)觀察運(yùn)動(dòng)者狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)價(jià)格成本較低，功能比較全面，具有良好的市場(chǎng)前景。

本文著重介紹了智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的原理、整體設(shè)計(jì)方案、硬件選擇、軟件設(shè)計(jì)等。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)具有成本低，操作簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)。

關(guān) 鍵 詞：STM32；健康監(jiān)測(cè)手環(huán)；DS18B20溫度傳感器；計(jì)步器；液晶顯示

ABSTRACT

With the rapid development of science and technology, the quality of people's life has been greatly improved, and people are paying more attention to their health conditions. Therefore, it is necessary to design an intelligent bracelet system based on STM32, which can display data such as step number, heart rate, temperature, blood oxygen, etc., so that people can understand the health condition faster and better in real time.

The design is mainly composed of STM32 microcontroller circuit, ADXL345 acceleration sensor, heart rate blood oxygen detection circuit, OLED liquid crystal display circuit, power circuit, clock DS1302 and DS18B20 temperature sensor. Through ADXL345 measurement of gravity acceleration, is used to judge the state of the human body, according to the state of the numerical change of the step function. After heart rate and blood oxygen sensor test, finger pulsation amplification is processed by comparator and sent to single chip microcomputer for heart rate and blood oxygen collection. The number of steps, heart rate, blood oxygen, temperature and time are displayed on the LCD LCD1602, and we can also display the current data to the mobile phone through Bluetooth, which is convenient for the sparring staff to observe the status of the athletes at any time. This design system price cost is low, the function is more comprehensive, has a good market prospect.

This paper mainly introduces the principle, overall design scheme, hardware selection and software design of intelligent health monitoring bracelet. The results show that the smart health monitoring bracelet designed in this paper has the characteristics of low cost, simple operation and good stability.

KEY WORDS: STM32; Health monitoring bracelet; DS18B20 temperature sensor; A pedometer; Liquid crystal display

目  錄

1 緒論… 5

1.1 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的背景及意義… 5

1.2 本文研究的目的… 5

1.3 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀… 6

1.4 本文的研究?jī)?nèi)容… 7

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)… 8

2.1 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能… 8

2.2 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路… 8

2.3 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案… 8

2.4 元器件選型… 9

2.4.1 主芯片選擇… 9

2.4.2 顯示方案的選擇… 9

2.4.3 傾角傳感器的選擇… 10

2.4.4 心率血氧監(jiān)測(cè)模塊選擇… 10

2.4.5 溫度傳感器模塊選擇… 10

2.4.6 無線傳輸模塊選擇… 10

2.4.7 時(shí)鐘模塊選擇… 11

2.5 本章小結(jié)… 11

3 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)… 2

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)… 2

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)… 3

3.3 ADXL345電路設(shè)計(jì)… 3

3.4 心率血氧傳感器設(shè)計(jì)… 4

3.5 OLED顯示屏電路設(shè)計(jì)… 5

3.6 DS18B20溫度設(shè)計(jì)… 6

3.7 HC05藍(lán)牙無線通信設(shè)計(jì)… 8

3.8 DS1302時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)… 8

3.9 按鍵設(shè)置電路… 9

3.10 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)… 10

3.11 本章小結(jié)… 10

4 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)… 11

4.1 單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行控制程序設(shè)計(jì)… 11

4.2 計(jì)步模塊控制程序設(shè)計(jì)… 12

4.3 心率血氧采集模塊控制程序設(shè)計(jì)… 13

4.4 液晶顯示模塊控制程序設(shè)計(jì)… 14

4.5 DS18B20溫度采集控制程序設(shè)計(jì)… 15

4.6 藍(lán)牙模塊控制程序設(shè)計(jì)… 15

4.7 本章小結(jié)… 16

5 系統(tǒng)調(diào)試… 17

5.1 實(shí)物焊接過程… 17

5.1.1 元器件清單… 17

5.1.2 實(shí)物焊接過程… 17

5.2 系統(tǒng)調(diào)試過程… 19

5.3 實(shí)物調(diào)試過程… 20

5.4 本章小結(jié)… 22

6 總結(jié)和展望… 23

參考文獻(xiàn)… 24

致  謝… 25

隨著智能信息領(lǐng)域飛速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)固提升，人民的生活質(zhì)量得到極大保障，與此同時(shí)，人們面臨的學(xué)習(xí)、工作等方面的壓力逐漸增大，身體時(shí)常處于亞健康狀態(tài)。智能手環(huán)方便攜帶，可以更好地幫助人們進(jìn)行健康管理、監(jiān)測(cè)人體睡眠質(zhì)量、獲取步數(shù)、溫度等運(yùn)動(dòng)信息。智能手環(huán)的受眾人群較廣，可在家庭中廣泛使用[1]。

在現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展和社會(huì)的高速進(jìn)步下，老齡化已是一個(gè)普遍現(xiàn)象。中國(guó)已成為世界上老年人最多的國(guó)家，雖然這種情況給社會(huì)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)，但老年人群體在某些領(lǐng)域也是很重要的。根據(jù)中國(guó)發(fā)展研究基金會(huì)在2020年6月11日發(fā)布的一份有關(guān)我國(guó)人口老齡化的研究報(bào)告[2]，預(yù)計(jì)我國(guó)將在2022年左右逐漸地步入一個(gè)老齡的社會(huì)，65歲及以上的老年人到時(shí)所占的比例會(huì)增加至14%以上。而跌倒不僅被認(rèn)為是居于世界范圍內(nèi)的意外傷亡事故因素第二位，也是導(dǎo)致我國(guó)65周歲及以上的老年人重大傷亡的主要原因[3]。

當(dāng)前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已落后于人口老齡化發(fā)展速度不少，所以我們從老齡化社會(huì)步入老齡社會(huì)時(shí)很有必要改善社會(huì)勞動(dòng)和生產(chǎn)的效率。社會(huì)保險(xiǎn)制度、養(yǎng)老服務(wù)制度以及對(duì)老年人的健康扶助制度都將面臨著巨大挑戰(zhàn)[4]。當(dāng)今社會(huì)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展快，人們的生活節(jié)奏也很快，加上工作等原因，子女大都和父母分開居住，難以實(shí)時(shí)了解父母的身體狀況，如果發(fā)生意外，子女或親屬也難以及時(shí)趕到，若不能及時(shí)的得到醫(yī)療救助，極可能會(huì)帶來嚴(yán)重后果。當(dāng)下科技發(fā)展迅猛，可穿戴醫(yī)療設(shè)備在近幾年受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[5]，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)醫(yī)療儀器來說，可穿戴設(shè)備的便攜、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)等功能更勝一籌，不僅可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體狀態(tài)，若某項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，還可以及時(shí)提醒使用者，早就醫(yī)早預(yù)防。

隨著科技的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，高科技產(chǎn)品越來越普及，如何研發(fā)能夠大大提高人們生活質(zhì)量并且使用便捷的成為健康運(yùn)動(dòng)生活的重要研究領(lǐng)域．近幾年，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們?nèi)罕姷纳钏皆絹碓胶?，大家也越來越關(guān)注健康問題。智能手環(huán)是一種便攜式反映人體狀況的儀器，通過計(jì)算行走的步數(shù)和心率溫度等參數(shù)使智能手環(huán)是符合大眾需求，有兩大特點(diǎn)：使用簡(jiǎn)單，攜帶方便[11]。  

同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)人們的平均壽命變長(zhǎng)以及新生兒出生率降低，老年人的比重越來越大，老年人的身體健康是社會(huì)需要加大關(guān)注的一個(gè)問題。利用便捷的電子設(shè)備來監(jiān)測(cè)老年人的身體健康狀況，已經(jīng)成為老年人監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的熱門研究方向。研究的智能手環(huán)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人的心率及血壓值，并能連續(xù)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，為老人的健康管理提供有效的參考[12]。

國(guó)外主流健康監(jiān)測(cè)設(shè)備有：Fitbit、Jawbone-Up、Withings Pulse、Garmin Vivofit、Misfit Shine、Nike Fuelband、Series 6等，主要以步數(shù)、心率、睡眠數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)為主，Garmin Vivofit等品牌續(xù)航時(shí)間相較國(guó)內(nèi)設(shè)備更長(zhǎng)[6] [7]。國(guó)外非主流健康監(jiān)測(cè)設(shè)備主要針對(duì)身體某項(xiàng)指標(biāo)或疾病進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如Google Glass、Belty智能腰帶、Nike智能跑鞋、Ravijour胸罩、iTBra、New Atlas智能Ｔ恤、Sensoria Fitness智能抹子等設(shè)備和產(chǎn)品[14] [15]。

智能手環(huán)最早是由意大利的倫納德達(dá)芬奇醞釀的,但是現(xiàn)存的最早的機(jī)械式智能手環(huán)最早是在達(dá)芬奇之后150年,即現(xiàn)在的德國(guó)1667年制作的[15]。現(xiàn)代日本最早的機(jī)械式智能手環(huán)最早是由iragcn.naihiraga在1755年制作的[19]。在中世紀(jì)和近代,智能手環(huán)并未被廣泛的使用,因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們并不是很清楚它的用途。這說明機(jī)器的發(fā)明(硬件)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及找到它對(duì)于人類的意義和用途(包括軟件)重要。在現(xiàn)代日本,智能手環(huán)已經(jīng)廣泛使用了40多年,主要是用于進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)和跑步的分析記錄行走步調(diào)[16]。1965年,智能手環(huán)正式進(jìn)入日本商用市場(chǎng),并被日本正式命名為智能手環(huán)。manpo-meter(manpo的是日語含義,也就是10000步)。這是的智能手環(huán)通常都是利用了擺鐘的原理作為記步技術(shù),利用加重的機(jī)械計(jì)數(shù)器和開關(guān)裝置來檢測(cè)自己的步伐,并且通常都帶有一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械式計(jì)數(shù)器。如果你輕輕晃動(dòng)這些計(jì)數(shù)器的裝置,就可以清楚的聽到旁邊有一個(gè)金屬制成的圓球來回滑動(dòng),或者一個(gè)擺鐘左右擺動(dòng)來回敲響的咣當(dāng)塊。這種機(jī)械式的自動(dòng)智能手環(huán)早已逐漸淡出了歷史,取而代之的是電子式的自動(dòng)智能手環(huán)[8]。隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)健康要求也越來越高，所以本次設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的智能手環(huán)具有很高的顯示意義。

近年來,全球的醫(yī)療器械高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速地發(fā)展,貿(mào)易往來活躍,平均每年經(jīng)濟(jì)增速7%左右,是同期全球國(guó)民經(jīng)濟(jì)平均增長(zhǎng)速度的兩倍左右[9]。我們把醫(yī)療器械高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為推動(dòng)全球醫(yī)療器械高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的重要戰(zhàn)略焦點(diǎn)和領(lǐng)域,其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)正在向技術(shù)、人才、管理、服務(wù)、資本、標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域多維度、全方位地拓展。與發(fā)達(dá)國(guó)家產(chǎn)業(yè)相比,我國(guó)的醫(yī)療器械高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱,產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈條不完整,整體的競(jìng)爭(zhēng)力弱,基礎(chǔ)技術(shù)產(chǎn)品的綜合應(yīng)用性能和核心產(chǎn)品可靠性之間存在一定的差距,部分的核心產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)尚未得到充分掌握,在醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中始終處于不利的地位。醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)是典型的發(fā)達(dá)國(guó)家高新技術(shù)支柱產(chǎn)業(yè),具有多學(xué)科高新技術(shù)應(yīng)用密集、學(xué)科技術(shù)交叉廣泛、技術(shù)與集成應(yīng)用融合等的顯著特點(diǎn),是一個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家前沿技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新水平和多學(xué)科技術(shù)交叉集成與應(yīng)用融合創(chuàng)新能力的集中體現(xiàn),是發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)?dòng)和支撐引領(lǐng)多學(xué)科高新技術(shù)融合發(fā)展的重要力量和引擎。當(dāng)前,國(guó)際上在醫(yī)療器械應(yīng)用領(lǐng)域的國(guó)際科技合作和創(chuàng)新高度活躍,電子、信息、網(wǎng)絡(luò)、材料、制造、納米等先進(jìn)醫(yī)療器械技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新研究成果向國(guó)際醫(yī)療器械應(yīng)用領(lǐng)域的傳播和滲透日益地加快,創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。但是,由于其創(chuàng)新能力薄弱,創(chuàng)新技術(shù)服務(wù)體系不完善,產(chǎn)學(xué)研醫(yī)結(jié)合不緊密,我國(guó)多學(xué)科醫(yī)療器械的科技創(chuàng)新發(fā)展的水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距。是提高醫(yī)療器械自主研發(fā)創(chuàng)新能力、培育國(guó)家戰(zhàn)略性發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)、建設(shè)戰(zhàn)略性創(chuàng)新型發(fā)達(dá)國(guó)家的重要?dú)v史階段,也是進(jìn)一步地深化國(guó)家醫(yī)藥衛(wèi)生管理體制改革的一個(gè)攻堅(jiān)性關(guān)鍵時(shí)期。醫(yī)療器械的發(fā)展是我國(guó)現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系現(xiàn)代化建設(shè)的重要推動(dòng)力和基礎(chǔ),具有高度的社會(huì)戰(zhàn)略性、帶動(dòng)性和巨大的成長(zhǎng)性,其獨(dú)特的戰(zhàn)略地位和重要性受到了當(dāng)今世界各國(guó)的普遍高度重視,已成為一個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的科技進(jìn)步和其國(guó)民經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化發(fā)展水平的重要?dú)v史標(biāo)志[10]。

本次論文主要闡述的是智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)從理論原理到實(shí)物模型制作的整個(gè)過程，最終做成一個(gè)成本低、性價(jià)比高、實(shí)用性高的智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容如下：智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的工作原理、設(shè)計(jì)方案、智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的硬件電路的設(shè)計(jì)和搭建、軟件控制程序的編寫和調(diào)試，實(shí)物的焊接和調(diào)試。具體如下：

(1) 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)元器件的選型以及各元器件的功能。

(2) 根據(jù)智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)所需實(shí)現(xiàn)的功能要求，確定智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)硬件電路的設(shè)計(jì)

(3) 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)的主程序及各模塊的子程序的設(shè)計(jì)。

(4) 智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)的硬件焊接與調(diào)試，確定是否滿足功能需求。

本章介紹了智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)能實(shí)現(xiàn)的功能、確定了本設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)思路、制定了智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，選擇了智能健康監(jiān)測(cè)手環(huán)硬件設(shè)計(jì)中所需要的元器件。

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