傅智河，苗军林，范宜标，王荣坚

（龙岩学院　机电工程学院，福建　龙岩　364000）

基于STM32F103C8T6多功能健康测试腕表的设计与实现

傅智河，苗军林，范宜标，王荣坚

（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364000）

本多功能智能健康测试腕表以STM32F103C8T6单片机为控制核心，利用光电传感器实现对脉搏的计数测试；利用磁力传感器来实现电子指南针功能；利用加速度姿态传感器来实现计步的功能；利用紫外线传感器实现紫外线强度检测；以及利用温湿度传感器对于环境温湿度进行监测.实现了集上述功能于一体的多功能健康测试腕表.

单片机；多功能健康腕表；脉搏；计步；紫外线；温湿度

随着我国居民生活水平提高，人们的健康意识也逐步提高［1］.为此我们提出了设计一款多功能智能健康腕表不只是可以看时间，而且可以提供计步功能，了解我们平常的运动量；还可以了解我们的脉搏心率的跳动，时刻知道我们的身体健康状况，而且在现在气温越来越热的情况下，紫外线强度对于我们的皮肤是有很大的伤害的，对于女性朋友来说，这无疑是美白的杀手锏，所以我们的智能腕表还包括了紫外线检测功能，能够快速了解当时的实时紫外线强度，从而避免被高强度的紫外线灼伤.为出行提供指示方向的作用，以及了解我们环境的温度和湿度的变化,以满足人们日常生活的需要［2］.

1　系统总体设计

本系统由STM32F103C8T6单片机最小系统、屏幕显示模块、温湿度模块、脉搏测量模块、电子指南针功能模块、计步器功能模块、紫外线指数测试模块等部分组成，完成对电子时钟时间的显示、温度和湿度的测量、脉搏次数的计数、提供方向的指示、行走步数的统计以及紫外线强度的读取等功能，并把这些数据显示到屏幕上，供佩戴者方便的读取信息.同时通过按键对各健康参数进行设置，方便各种各样的使用者.系统总体框图如图1-1所示.

图1-1

2　测试理论分析

2.1温湿度测试理论计算分析

相对湿度转换公式：可以根据SDA输出的相对湿度信号SRH通过如下公式计算获得相对湿度RH（结果以%RH表示），（不论基于哪种分辨率）.

温度转换：可以通过将温度输出信号ST代入到下面的公式计算得到温度T（结果以温度℃表示）（不论基于哪种分辨率）［3］.

2.2计步器测试理论计算分析

人体在运动的时候可以看成有三个分量，分别是前向、竖向和侧向.本设计采用陀螺仪传感器，其传输回来的数据分别代表3个轴测量的角速度、加速度和磁感应强度，需要解算成姿态角度信息，主要是俯仰角ρ（X轴与地面的角度）、翻滚角、（Y轴与地面的角度）和航向角α（绕Z轴旋转的角度）［1］.

陀螺仪测量的是旋转的角速度，对应的角度值可由一下的积分计算公式得到：

其中：Ak1为当前时刻的角度值；Ak1-1为前一时刻的角度值；Bk为陀螺仪测量当前时刻的角速度；Bbias_k为当前时刻角速度的偏移量；dt为积分时间，即角度计算的采样周期［3］.加速度计测量3个轴的加速度分量，可利用以下数学函数关系解算角度姿态.

其中：X、Y、Z这3个轴的加速度分量分别是Ax、Ay、Az；γ为Z轴与重力加速度的夹角；ρ为俯仰角；ψ为翻滚角.

2.3电子指南针测试理论计算分析

本设计采用电子罗盘来对方向的测试.电子罗盘测量的参数的是3个轴的磁感应强度，因为X轴和Y轴的磁感应强度合成后总指向地磁北极，所以，航向角的检测可通过测量敏感轴与地磁北极的夹角来实现［5］.电子罗盘在水平位置且无外加磁场干扰时，航向角可通过如下公式计算得出.

其中，Hx和Hy分别为X轴和Y轴输出的磁感应强度数据.

如果电子罗盘不在水平位置，那么可通过倾斜补偿方法解决，减小航向角检测的误差.倾斜补偿公式为：

其中：Mx、My、Mz分别为电子罗盘输出的3个轴数据；ρ和ψ分别为借助加速度计检测的俯仰角和翻滚角.补偿后的航向角可以利用补偿后的磁感应强度H'x、H'y和式（2.3-1）计算得出.

3　系统硬件设计

3.1单片机控制最小系统

本设计采用STM32F103C8T6单片机为主芯片和复位电路以及时钟电路组成单片机最小系统，还有下载端口.单片机在上电的时候，电阻R1与电容C3进行充放电，将给单片机提供保持2个机器周期以上的高电平，实现单片机系统的自动复位.该主控芯片主要用来处理各个传感器发出的数据，然后经由主芯片处理发送给OLED显示屏幕.

其中时钟电路是给提供单片机正常运行所需要的时钟信号.STM32系列单片机共有两个时钟源选择：一个是通过单片机引脚引入外部时钟作为时钟源，另一个是由内部自带的R/C振荡器产生时钟.在本系统设计中，我们使用了MUC单片机中自带的时钟，8MHzR/C振荡器.

复位电路对单片机的稳定运行具有重要作用.单片机可通过手动或上电进行复位；通过外部的专门电路，在单片机通电的时候，系统能够自动复位，这种复位方式是最基本的；手动复位，在单片机运行过程中，有时会出现单片机系统崩溃的情况，这时可以通过手动复位来解决问题.本电路设计采用的是上电复位.

系统输入设备采用四个独立按键来完成，每个独立按键接一个单片机I/O口，各按键的工作互不影响，单片机程序中采用查询方式完成设备输入功能.

3.2温湿度测量部分电路设计

本设计采用HTU21温湿度传感器，其的供电范围为1.8VDC-3.6VDC，推荐的工作电压为3.0V.VDD和VSS之间须连接一个100nF去耦电容，去耦电容应该贴近传感器［3］.微处理器与HTU21之间的通讯同步是靠SCK,DATA引脚用于读取传感器数据.当向传感器发送命令的时候,在SCK高电平时保持稳定的条件下，DATA在SCK上升沿有效.DATA在SCK下降沿之后改变.当从传感器读取数据时,DATA在SCK变低以后有效，且维持到下一个SCK的下降沿.为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平.需要一个外部的上拉电阻将信号提拉至高电平（上拉电阻的阻值为10K）.而且上拉电阻一般在微处理器的I/O电路中已经包括了.

3.3脉搏测试电路设计原理

根据查阅资料可知，可以反映皮肤浅部微动脉信息的波是560nm，可以用来提取脉搏信号.本设计采用PulseSensor光电反射式模拟心率传感器，该传感器采用了峰值波长为515nm的绿光LED，这是一款环境光感受器，感受峰值波长为565nm，与皮肤浅部微动脉信息的峰值波长相近，灵敏度较高［2］.由于脉搏信号的频带一般在0.05～200Hz之间，信号幅度小，容易受到各种信号干扰.在感受器后面使用了低通滤波器和由运放MCP6001构成的放大器，将信号放大了332倍，采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使放大后的信号被单片机的AD采集到.

心率传感器的接口一共有三个，sout是模拟信号的输出线，然后将传感器采集到的模拟信号传输到单片机上［7］.由单片机进行转换成数字信号，最后经过计算得到心率的数值，然后通过单片机传输液晶显示屏幕上.电源引脚VCC接3.3v电源输入或者5V入电源输入，GND引脚接地.

3.4紫外线指数电路设计原理

本设计采用的ML8511受光器件是模拟化输出，所以我们在设计电路的时候要应到到模数转化，把传感器的模拟化信号转换成数字信号，然后传给MCU处理，最后才显示到液晶显示屏上.工作原理如图2-2所示.

图3-4　ML8511传感器工作原理

4　系统软件设计

软件整体的设计思想如下，系统上电之后对STM32F103C8T6进 行 串 口 初 始 化 ， 接 着STM32F103C8T6采用I2C协议读取各种参数传感器当中的数据并且产生串口中断，STM32F103C8T6检测串口中断是否发生，判断各种数据数据是否在规定值之内，如果不在这个范围内，那么为错误数据，继续等待串口中断.如果在这个范围内，那么为正确数据，响应串口中断对角度数据进行处理，运算得到相应数据，然后把测试的参数显示在LCD屏上.

5　测试结果

在腕表设计完成后，对系统进行了测试.检查程序和硬件都没有问题之后，就把程序通过硬件电路上预留的下载端口，通过下载器下载到单片机内，然后开始测试各个功能.如图5-1为多功能智能腕表的设置界面及时间显示.

图5-1　多功能腕表的设置界面

根据设计的内容抽取部分数据进行测试，以下数据是在通上电后，根据现场测试得出的数据.如图5-2所示.

根据上图的分析可以发现，实际温度和测量温度、实际湿度和测量湿度的两条折现都是很贴近的，说明了测量的准确度是较高的.

图5-2　温湿度测试数据分析图

图5-3　脉搏测试数据分析图

在脉搏测量仪功能模块设计完成后，对系统进行了测试.将测试对象的手指放入光电传感器，应保持适当压力，通过单片机分析计算从数码管读取1分钟内的脉搏次数，将该结果与同一测试对象“人工把脉”（实际测量）进行比较，共选取五次测量结果作为比较对象，具体比较结果见图5-3.

根据上图的数据和折线图可以看出，测量的脉搏次数和实际脉搏次数的折现是非常接近的，而且与实际测量的误差在±1左右，误差可能是由于在指端按压测量的时候，没有接触好所造成的，由此，此脉搏检测的精度是很高的.

6　结论

本设计的系统核心控制器是STM32F103C8T6单片机，及其温湿度传感器电路、计步器和指南针传感器电路、脉搏测量电路、紫外线检测电路、液晶显示电路等.软件设计是将各个功能模块分开实现，最终整合在系统硬件上实现功能.本系统最终实现的功能有时间显示、温湿度的测量、测量脉搏次数功能，而计步功能、指南针功能和紫外线检测的功能达到了设计的要求.但是要使本设计功能更加强大，功能更加丰富，还需要在后面的研究上下更大的力，才能使该产品更加的完善.

〔1〕刘铮，陈拓.高精度温湿度传感器SHT2x的应用［J］.单片机与嵌入式系统应用，2013（01）：19-21+ 25.

〔2〕刘春阳，徐军领，程洪涛，王东方，薛玉君.MPU 9250传感器的姿态检测与数据融合［J］.河南科技大学学报（自然科学版），2015（04）：14-17+22+ 5.

〔3〕杨培科.基于SOPC的磁阻电子罗盘的设计实现及其误差补［D］.哈尔滨工程大学，2009-12-1.

〔4〕高建民，翁惠辉，陈永军，丁福坤；张辉.基于AVR单片机的高精度紫外线检测仪的设计［J］.自动化与仪表，2012.（01）：28-30+34.

〔5〕戚耀楠.光电传感器件与应用技术［M］.北京：电子工业出版社，2015.

TP311

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1673-260X（2016）09-0009-03

2016-05-11

国家大学生创新创业训练计划项目（G20142004）