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，同時人們對自身的健康狀況更加關(guān)注。因此，需要設(shè)計了一款基于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時了解健康情況。

本次設(shè)計的智能健康監(jiān)測手環(huán)主要組成是STM32單片機(jī)電路、ADXL345加速度傳感器、心率血氧檢測電路、OLED液晶顯示電路、電源電路、時鐘DS1302和DS18B20溫度傳感器組成。通過ADXL345測量重力加速度，是用來判斷人體狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)的數(shù)值變化進(jìn)行計步功能。通過心率血氧傳感器測試，通過手指脈動放大經(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觀察運(yùn)動者狀態(tài)。本次設(shè)計系統(tǒng)價格成本較低，功能比較全面，具有良好的市場前景。

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

關(guān) 鍵 詞：STM32；健康監(jiān)測手環(huán)；DS18B20溫度傳感器；計步器；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)測手環(huán)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀… 6

1.4 本文的研究內(nèi)容… 7

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計… 8

2.1 智能健康監(jiān)測手環(huán)系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能… 8

2.2 智能健康監(jiān)測手環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計思路… 8

2.3 智能健康監(jiān)測手環(huán)系統(tǒng)總體設(shè)計方案… 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 時鐘模塊選擇… 11

2.5 本章小結(jié)… 11

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

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計… 2

3.2 電源模塊設(shè)計… 3

3.3 ADXL345電路設(shè)計… 3

3.4 心率血氧傳感器設(shè)計… 4

3.5 OLED顯示屏電路設(shè)計… 5

3.6 DS18B20溫度設(shè)計… 6

3.7 HC05藍(lán)牙無線通信設(shè)計… 8

3.8 DS1302時鐘電路設(shè)計… 8

3.9 按鍵設(shè)置電路… 9

3.10 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計… 10

3.11 本章小結(jié)… 10

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

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

4.2 計步模塊控制程序設(shè)計… 12

4.3 心率血氧采集模塊控制程序設(shè)計… 13

4.4 液晶顯示模塊控制程序設(shè)計… 14

4.5 DS18B20溫度采集控制程序設(shè)計… 15

4.6 藍(lán)牙模塊控制程序設(shè)計… 15

4.7 本章小結(jié)… 16

5 系統(tǒng)調(diào)試… 17

5.1 實物焊接過程… 17

5.1.1 元器件清單… 17

5.1.2 實物焊接過程… 17

5.2 系統(tǒng)調(diào)試過程… 19

5.3 實物調(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，人們面臨的學(xué)習(xí)、工作等方面的壓力逐漸增大，身體時常處于亞健康狀態(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)測人體睡眠質(zhì)量、獲取步數(shù)、溫度等運(yùn)動信息。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)展和社會的高速進(jìn)步下，老齡化已是一個普遍現(xiàn)象。中國已成為世界上老年人最多的國家，雖然這種情況給社會發(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)中國發(fā)展研究基金會在2020年6月11日發(fā)布的一份有關(guān)我國人口老齡化的研究報告[2]，預(yù)計我國將在2022年左右逐漸地步入一個老齡的社會，65歲及以上的老年人到時所占的比例會增加至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步入老齡社會時很有必要改善社會勞動和生產(chǎn)的效率。社會保險制度、養(yǎng)老服務(wù)制度以及對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，難以實時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趕到，若不能及時的得到醫(yī)療救助，極可能會帶來嚴(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內(nèi)外的廣泛關(guān)注[5]，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測醫(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，不僅可以做到實時監(jiān)測身體狀態(tài)，若某項指標(biāo)出現(xiàn)異常時，還可以及時提醒使用者，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)動生活的重要研究領(lǐng)域．近幾年，隨著社會的不斷發(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)：使用簡單，攜帶方便[11]。  

同時，隨著國內(nèi)人們的平均壽命變長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需要加大關(guān)注的一個問題。利用便捷的電子設(shè)備來監(jiān)測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)能實時監(jiān)測老人的運(yùn)動姿態(tài)，實時監(jiān)測老人的心率及血壓值，并能連續(xù)存儲這些數(shù)據(jù)，為老人的健康管理提供有效的參考[12]。

國外主流健康監(jiān)測設(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)測為主，Garmin Vivofit等品牌續(xù)航時間相較國內(nèi)設(shè)備更長[6] [7]。國外非主流健康監(jiān)測設(shè)備主要針對身體某項指標(biāo)或疾病進(jìn)行監(jiān)測，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1667年制作的[15]?，F(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,因為當(dāng)時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,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)械計數(shù)器和開關(guān)裝置來檢測自己的步伐,并且通常都帶有一個簡單的機(jī)械式計數(shù)器。如果你輕輕晃動這些計數(shù)器的裝置,就可以清楚的聽到旁邊有一個金屬制成的圓球來回滑動,或者一個擺鐘左右擺動來回敲響的咣當(dāng)塊。這種機(jī)械式的自動智能手環(huán)早已逐漸淡出了歷史,取而代之的是電子式的自動智能手環(huán)[8]。隨著人們生活水平的不斷提高，對健康要求也越來越高，所以本次設(shè)計一款基于單片機(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,是同期全球國民經(jīng)濟(jì)平均增長速度的兩倍左右[9]。我們把醫(yī)療器械高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為推動全球醫(yī)療器械高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和競爭的重要戰(zhàn)略焦點(diǎn)和領(lǐng)域,其市場競爭正在向技術(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)國家產(chǎn)業(yè)相比,我國的醫(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,整體的競爭力弱,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)市場競爭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),是一個發(fā)達(dá)國家前沿技術(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)國家?guī)雍椭我I(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,國際上在醫(yī)療器械應(yīng)用領(lǐng)域的國際科技合作和創(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)國家的重要?dú)v史階段,也是進(jìn)一步地深化國家醫(yī)藥衛(wèi)生管理體制改革的一個攻堅性關(guān)鍵時期。醫(yī)療器械的發(fā)展是我國現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系現(xiàn)代化建設(shè)的重要推動力和基礎(chǔ),具有高度的社會戰(zhàn)略性、帶動性和巨大的成長性,其獨(dú)特的戰(zhàn)略地位和重要性受到了當(dāng)今世界各國的普遍高度重視,已成為一個發(fā)達(dá)國家的科技進(jìn)步和其國民經(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)測手環(huán)從理論原理到實物模型制作的整個過程，最終做成一個成本低、性價比高、實用性高的智能健康監(jiān)測手環(huán)系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下：智能健康監(jiān)測手環(huán)的工作原理、設(shè)計方案、智能健康監(jiān)測手環(huán)的硬件電路的設(shè)計和搭建、軟件控制程序的編寫和調(diào)試，實物的焊接和調(diào)試。具體如下：

(1) 智能健康監(jiān)測手環(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)測手環(huán)所需實現(xiàn)的功能要求，確定智能健康監(jiān)測手環(huán)硬件電路的設(shè)計

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

(4) 智能健康監(jiān)測手環(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)測手環(huán)能實現(xiàn)的功能、確定了本設(shè)計的硬件設(shè)計思路、制定了智能健康監(jiān)測手環(huán)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，選擇了智能健康監(jiān)測手環(huán)硬件設(shè)計中所需要的元器件。

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