基于STM32单片机的智能健康腕表设计_魏志丽.pdf

收稿日期：20220531基于STM32单片机的智能健康腕表设计魏志丽，何应侯，罗俊彬（深圳信息职业技术学院 智能智造与装备学院，广东深圳518172）摘要：提出和设计了一种基于STM32微控制器为主控芯片集环境温湿度检测、心率血氧检测、步数统计、闹钟、照明、娱乐及液晶显示等多功能的智能手表。阐述了智能手表设计的一套初步方案，包括硬件和软件部分的设计和验证，整个系统以STM32微控制器作为核心处理器，通过读取分析处理各传感器在外界获取到的数据，转换成人体健康指标，显示到可视化液晶屏幕上。相比传统的手表，所设计的手表可以检测人体各项健康指标给用户进行参考，多次运行和测试的结果证明该手表具有测试数据准确、操作简易、运行稳定、续航持久等优点，适用于日常生活佩戴。关键词：智能手表；温湿度；心率血氧；STM32中图分类号：TH714.52文献标志码：A文章编号：10099492（2023）03024105Designing a Smart Health Watch with STM32Wei Zhili，He Yinghou，Luo Junbin（School of Intelligent Manufacturing and Equipment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen,Guangdong 518172,China）Abstract:A smart watch was proposed and designed based on STM32 micro-controller,which integrated environmental temperature andhumidity detection,heart rate and blood oxygen detection,step count,alarm clock,lighting,entertainment and LCD display.A set ofpreliminary scheme of smart watch design was described,including the design and verification of hardware and software.The whole systemused the STM32 microcontroller as the core processor.It read,analyzed and processed the data obtained by various sensors,converted theminto human health indicators,and displayed them on the visual LCD screen.Compared with traditional watches,the watch designed can detectvarious health indicators of human body for users reference.The results of multiple operations and tests prove that the watch designed in thispaper has the advantages of accurate test data,simple operation,stable operation,and long life,and is suitable for daily wear.Key words:smart watch;temperature and humidity;heart rate and blood;STM322023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.050魏志丽，何应侯，罗俊彬.基于STM32单片机的智能健康腕表设计 J.机电工程技术，2023，52（03）：241-245.0引言智能化已成为社会发展中的一个重要焦点。智能可穿戴设备于20世纪60年代出现。到20世纪80年代，智能穿戴设备才开始逐渐普及1。IBM在2000年推出首款Lunix Watch智能手表，运行Linux操作系统2。截至2017年6月，近9%的美国成年人拥有智能手表，9%的拥有率对于市场来说是一个非常健康的开始3。智能手表除了显示时间和日期，通过数字化电子化，可以实现更多的功能。随着人工智能的发展，智能手表将成为日常使用的人工智能产品。智能手表设计涉及嵌入式系统。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统及对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统4。其中智能手表的主要功能是为人们提供运动监测和人体健康指标检测和人体状态检测；检测到的数据通常能给人们起一个提醒、引导或者参考的作用；生理参数监测类主要用于医疗健康研究，监测用户的血糖、血氧饱和度、心率和血压等具有医疗价值的生理参数5。高端的智能手表甚至可以和手机进行互联，通话、收发信息，导航、付款码支付，给人们生活带来一定的便利性的同时也提供了娱乐功能，也有很多人把智能可穿戴设备看作是一种时尚单品，给人们带来智能化生活之余也具有十分广阔的市场前景。本文以单片机STM32F411作为主控制器开发了一套可穿戴设备设计方案，通过微处理器配合环境感知类、运动感知类和生理参数监测类等多种传感器6实现多种功能。1系统总体设计本文以STM32F411单片机控制整个系统，根据智能手表所需实现的目标功能，搭建单片机的控制电路与各个外设模块的基本电路，其中硬件电路主要由两大部分组成，分别为电源电路、主电路。电源电路主要控制锂电池的充放电和为主电路输241出+3.3 V电压，主电路则是通过单片机控制各传感器正常工作并与用户交互于可视化液晶显示屏上。通过传感器，分别对环境温湿度、用户心率血氧，用户步数进行数据采集，单片机收到外部采集到的数据以后，进行分析和一定的算法计算处理，转换为人体检测健康指标并实时将其显示在可视化液晶显示屏上。系统设计如图1所示。2系统硬件电路设计本次硬件电路设计以STM32F411CEU6为主控芯片，并按设计需求设计电源输入电路，搭建传感器和显示屏的外围电路。2.1电源电路设计图2所示为降压电路图。供电电源输入采用3.7 V的锂电池，因主电路需 3.3 V供电，故接入降压稳压芯片TPS709进行一个降压稳压处理后输出+3.3 V电压，以满足主电路部分供电需求，保证工作稳定性；在3.7 V电压输入端和3.3 V输出端各接入一个10 F滤波电容。充电设计为通过USB Tape-C接口输入+5 V电压，+5 V 电压经过 TP4054 可为锂电池充电，中间经过一个LED灯，起充电提示的作用，即充电时LED灯会亮起，为保证稳定工作，在5 V电源输入端接入一个10 F滤波电容。图3所示为锂电池充电电路。2.2温湿度传感器电路设计图 4所示为温湿度检测电路。供电部分接入+3.3 V电源，采用I2C通讯协议的方式和单片机进行实时数据交互，为提高驱动能力，给I2C通讯口接了两个10k欧的电阻进行上拉。其中时钟引脚口与单片机的PB10相连，数据信号口与单片机的 PB3相连；为了减小干扰，在电源输入线附近接了一个100 nF的滤波电容，用于高频滤波。SI7020传感器采用低K电介质聚合物检测温湿度的专利设计，具有低漂移和迟滞及卓越的长期稳定性7。2.3心率血氧传感器电路设计图 5所示为基于 MAX30102的心率血氧检测模块电路图。为了节省资源，心率血氧传感器和温湿度传感器的通讯共用一个I2C总线，同时，中断脚需接入单片机。模块内部应该已有抗干扰的电路，但保险起见，在电源输入附近再接上一个高频滤波电容，减小干扰。2.4陀螺仪电路设计图6所示为基于MPU6050的陀螺仪模块电路图。同样用I2C的通讯模式进行数据的交互，其中时钟引脚口与主控芯片STM32F411CEU6的PB6相连，数据信号口与主控芯片STM32F411CEU6的PB3相连，中断引脚接于单片机的PB5，并对I2C总线和中断引脚进行了上拉，提高驱动能力。图3锂电池充电电路图1系统总体框图图2降压电路图4温湿度检测电路图5心率血氧检测模块电路2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期242MPU6050 陀螺仪性能优越，可以利用加速度传感器，测量人体运动参数并计算相应的运动消耗8。2.5液晶屏幕电路设计图 7 所示为屏幕电路控制电路。本设计用 1.14 寸TFT LCD屏幕作为可视化交互设备。由于非触摸屏，此SPI通讯只需发送数据液晶显示屏的信息交互，SPI时钟线 SCL和 SPI数据线 SDA分别与单片机的 PA5和 PA7相连，数据命令控制线DC和复位线RES分别与单片机PB0和PA2相连，对于片选线CS，由于从设备只有一个，可接可不接。背光控制线LEDK默认不接，但是为了运行稳定，另外设计了一个背光电路，这里用到一个mos管，并可使用PWM脉宽调制调节屏幕背光亮度。3系统软件设计软件设计关乎用户体验的好坏，用户体验设计的核心思想是从用户出发，基于人机工程学和可用性原理，综合视觉、布局、交互和动作设计9。软件设计部分有前期工作、业务逻辑的编写及主逻辑的编写。3.1前期工作软件设计中第一个环节为前期工作。首先是搭建自己的开发环境，然后是单片机的初始化配置（单片机程序运行前需初始化），最后是外设驱动的移植。程序设计前期工作的思维导图如图8所示。3.2业务逻辑前期工作及模块化准备工作完毕，架构搭建完成以后，需要设计业务逻辑来实现其功能。主要分 3 个部分，分别为底层驱动文件编写、App程序文件编写、显示文件编写。驱动文件用于存放设计中需要用到自己编写或移植好的驱动函数，App程序文件用于存放App运行逻辑，显示文件主要用于人机的交互。业务逻辑分模块编写，降低程序的耦合性。程序设计思维导图如图9所示。图6MPU6050的陀螺仪模块电路图7屏幕电路设计图8前期工作的思维导图图9程序前期思维导图魏志丽，何应侯，罗俊彬：基于STM32单片机的智能健康腕表设计2433.3主函数编写完了各部分代码，接下来就是整合，把一套逻辑串起来，即在主函数中调用各部分代码。图10所示为完整程序运行的程序流程。4系统测试及结果分析4.1系统硬件测试分别焊接好每个模块的元器件，然后通过万用表对电路的3.7 V电源电压、3.3 V电压网络、5 V电压网络进行测试，判断是否存在短路或者各线路是否完全被接通。全部线路的连接状态正常方可上电进行测试。接通电源，上电测试，先进行外部观察，外观上没有烧毁迹象，元器件没有剧烈升温，基本情况正常，初始上电电压正常，一切正常，硬件系统成型。4.2系统软件测试硬件测试完成以后，就要开始软件测试，首先通过编写驱动程序，或者利用器件的官方例程，烧录进单片机，观察其现象，元器件工作正常，即单片机通讯正常。确认单片机通讯正常，即可将编写好的程序烧录进单片机测试运行效果，操作逻辑如图11所示。对照设计中画好的程序流程，按键K1、K2分别为“上”、“下”键，K3为“确定”键。显示界面运行正常，开始主要传感器的测试。4.2.1温湿度检测测试首先是温湿度检测，开机进入主界面后可以看到温湿度检测是实时进行的，如图12所示，旁边是市面上的温湿度计，数据与其进行对比，测试结果正常。4.2.2心率血氧检测测试通过按键，进入心率血氧检测App之后，把手指放于血氧传感器之上，可以正常检测心率和血氧值，红色LED灯随检测到的脉搏跳动而闪烁，心率血氧检测测试正常。如图13所示。4.2.3陀螺仪计步测试人行走的过程分析：脚蹬地离开地面是一步的开始，此时由于地面的反作用力，垂直加速度开始增大，