代码收藏家技术教程 2023-09-26

STM32智能健康监测手环设计与实现

摘要

随着科技的飞速发展，人民的生活质量得到极大改善，同时人们对自身的健康状况更加关注。因此，需要设计了一款基于STM32的智能手环系统，其可显示步数、心率、温度、血氧等数据，使人们更快更好地实时了解健康情况。

本次设计的智能健康监测手环主要组成是STM32单片机电路、ADXL345加速度传感器、心率血氧检测电路、OLED液晶显示电路、电源电路、时钟DS1302和DS18B20温度传感器组成。通过ADXL345测量重力加速度，是用来判断人体状态，根据状态的数值变化进行计步功能。通过心率血氧传感器测试，通过手指脉动放大经过比较器处理后发送给单片机进行心率血氧采集。并将步数、心率血氧，温度、时间显示在液晶LCD1602上，并且我们也可以通过蓝牙把当前的数据发生到手机端进行显示，这样也方便陪练人员随时观察运动者状态。本次设计系统价格成本较低，功能比较全面，具有良好的市场前景。

本文着重介绍了智能健康监测手环的原理、整体设计方案、硬件选择、软件设计等。结果表明，本文设计的智能健康监测手环具有成本低，操作简便，稳定性较好等特点。

关键词：STM32；健康监测手环；DS18B20温度传感器；计步器；液晶显示

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

1 绪论… 5

1.1 智能健康监测手环的背景及意义… 5

1.2 本文研究的目的… 5

1.3 智能健康监测手环的国内外研究现状… 6

1.4 本文的研究内容… 7

2 系统控制方案设计… 8

2.1 智能健康监测手环系统所实现的功能… 8

2.2 智能健康监测手环系统的设计思路… 8

2.3 智能健康监测手环系统总体设计方案… 8

2.4 元器件选型… 9

2.4.1 主芯片选择… 9

2.4.2 显示方案的选择… 9

2.4.3 倾角传感器的选择… 10

2.4.4 心率血氧监测模块选择… 10

2.4.5 温度传感器模块选择… 10

2.4.6 无线传输模块选择… 10

2.4.7 时钟模块选择… 11

2.5 本章小结… 11

3 智能健康监测手环系统的硬件电路设计… 2

3.1 单片机最小系统设计… 2

3.2 电源模块设计… 3

3.3 ADXL345电路设计… 3

3.4 心率血氧传感器设计… 4

3.5 OLED显示屏电路设计… 5

3.6 DS18B20温度设计… 6

3.7 HC05蓝牙无线通信设计… 8

3.8 DS1302时钟电路设计… 8

3.9 按键设置电路… 9

3.10 硬件系统总体设计… 10

3.11 本章小结… 10

4 智能健康监测手环系统软件部分设计… 11

4.1 单片机系统运行控制程序设计… 11

4.2 计步模块控制程序设计… 12

4.3 心率血氧采集模块控制程序设计… 13

4.4 液晶显示模块控制程序设计… 14

4.5 DS18B20温度采集控制程序设计… 15

4.6 蓝牙模块控制程序设计… 15

4.7 本章小结… 16

5 系统调试… 17

5.1 实物焊接过程… 17

5.1.1 元器件清单… 17

5.1.2 实物焊接过程… 17

5.2 系统调试过程… 19

5.3 实物调试过程… 20

5.4 本章小结… 22

6 总结和展望… 23

参考文献… 24

致谢… 25

绪论
1. 智能健康监测手环的背景及意义

随着智能信息领域飞速发展，国民经济稳固提升，人民的生活质量得到极大保障，与此同时，人们面临的学习、工作等方面的压力逐渐增大，身体时常处于亚健康状态。智能手环方便携带，可以更好地帮助人们进行健康管理、监测人体睡眠质量、获取步数、温度等运动信息。智能手环的受众人群较广，可在家庭中广泛使用[1]。

在现代化进程的快速发展和社会的高速进步下，老龄化已是一个普遍现象。中国已成为世界上老年人最多的国家，虽然这种情况给社会发展带来了挑战，但老年人群体在某些领域也是很重要的。根据中国发展研究基金会在2020年6月11日发布的一份有关我国人口老龄化的研究报告[2]，预计我国将在2022年左右逐渐地步入一个老龄的社会，65岁及以上的老年人到时所占的比例会增加至14%以上。而跌倒不仅被认为是居于世界范围内的意外伤亡事故因素第二位，也是导致我国65周岁及以上的老年人重大伤亡的主要原因[3]。

当前我国的经济发展已落后于人口老龄化发展速度不少，所以我们从老龄化社会步入老龄社会时很有必要改善社会劳动和生产的效率。社会保险制度、养老服务制度以及对老年人的健康扶助制度都将面临着巨大挑战[4]。当今社会的经济建设发展快，人们的生活节奏也很快，加上工作等原因，子女大都和父母分开居住，难以实时了解父母的身体状况，如果发生意外，子女或亲属也难以及时赶到，若不能及时的得到医疗救助，极可能会带来严重后果。当下科技发展迅猛，可穿戴医疗设备在近几年受到了国内外的广泛关注[5]，相比于传统的监测医疗仪器来说，可穿戴设备的便携、远程监护等功能更胜一筹，不仅可以做到实时监测身体状态，若某项指标出现异常时，还可以及时提醒使用者，早就医早预防。

1. 本文研究的目的

随着科技的发展，人们的生活水平不断提高，高科技产品越来越普及，如何研发能够大大提高人们生活质量并且使用便捷的成为健康运动生活的重要研究领域．近几年，随着社会的不断发展，人们群众的生活水平越来越好，大家也越来越关注健康问题。智能手环是一种便携式反映人体状况的仪器，通过计算行走的步数和心率温度等参数使智能手环是符合大众需求，有两大特点：使用简单，携带方便[11]。

同时，随着国内人们的平均寿命变长以及新生儿出生率降低，老年人的比重越来越大，老年人的身体健康是社会需要加大关注的一个问题。利用便捷的电子设备来监测老年人的身体健康状况，已经成为老年人监护领域的热门研究方向。研究的智能手环能实时监测老人的运动姿态，实时监测老人的心率及血压值，并能连续存储这些数据，为老人的健康管理提供有效的参考[12]。

1. 智能健康监测手环的国内外研究现状

国外主流健康监测设备有：Fitbit、Jawbone-Up、Withings Pulse、Garmin Vivofit、Misfit Shine、Nike Fuelband、Series 6等，主要以步数、心率、睡眠数据监测为主，Garmin Vivofit等品牌续航时间相较国内设备更长[6] [7]。国外非主流健康监测设备主要针对身体某项指标或疾病进行监测，例如Google Glass、Belty智能腰带、Nike智能跑鞋、Ravijour胸罩、iTBra、New Atlas智能Ｔ恤、Sensoria Fitness智能抹子等设备和产品[14] [15]。

智能手环最早是由意大利的伦纳德达芬奇酝酿的,但是现存的最早的机械式智能手环最早是在达芬奇之后150年,即现在的德国1667年制作的[15]。现代日本最早的机械式智能手环最早是由iragcn.naihiraga在1755年制作的[19]。在中世纪和近代,智能手环并未被广泛的使用,因为当时人们并不是很清楚它的用途。这说明机器的发明(硬件)远远不及找到它对于人类的意义和用途(包括软件)重要。在现代日本,智能手环已经广泛使用了40多年,主要是用于进行体育运动和跑步的分析记录行走步调[16]。1965年,智能手环正式进入日本商用市场,并被日本正式命名为智能手环。manpo-meter(manpo的是日语含义,也就是10000步)。这是的智能手环通常都是利用了摆钟的原理作为记步技术,利用加重的机械计数器和开关装置来检测自己的步伐,并且通常都带有一个简单的机械式计数器。如果你轻轻晃动这些计数器的装置,就可以清楚的听到旁边有一个金属制成的圆球来回滑动,或者一个摆钟左右摆动来回敲响的咣当块。这种机械式的自动智能手环早已逐渐淡出了历史,取而代之的是电子式的自动智能手环[8]。随着人们生活水平的不断提高，对健康要求也越来越高，所以本次设计一款基于单片机的智能手环具有很高的显示意义。

近年来,全球的医疗器械高新技术产业快速地发展,贸易往来活跃,平均每年经济增速7%左右,是同期全球国民经济平均增长速度的两倍左右[9]。我们把医疗器械高新技术产业发展作为推动全球医疗器械高新技术产业发展和竞争的重要战略焦点和领域,其市场竞争正在向技术、人才、管理、服务、资本、标准等领域多维度、全方位地拓展。与发达国家产业相比,我国的医疗器械高新技术产业基础薄弱,产业发展链条不完整,整体的竞争力弱,基础技术产品的综合应用性能和核心产品可靠性之间存在一定的差距,部分的核心产品关键技术尚未得到充分掌握,在医疗器械产业市场竞争中始终处于不利的地位。医疗器械产业是典型的发达国家高新技术支柱产业,具有多学科高新技术应用密集、学科技术交叉广泛、技术与集成应用融合等的显著特点,是一个发达国家前沿技术的发展创新水平和多学科技术交叉集成与应用融合创新能力的集中体现,是发达国家带动和支撑引领多学科高新技术融合发展的重要力量和引擎。当前,国际上在医疗器械应用领域的国际科技合作和创新高度活跃,电子、信息、网络、材料、制造、纳米等先进医疗器械技术的应用和创新研究成果向国际医疗器械应用领域的传播和渗透日益地加快,创新技术和产品不断涌现。但是,由于其创新能力薄弱,创新技术服务体系不完善,产学研医结合不紧密,我国多学科医疗器械的科技创新发展的水平与发达国家相比还存在较大的差距。是提高医疗器械自主研发创新能力、培育国家战略性发展新兴产业、建设战略性创新型发达国家的重要历史阶段,也是进一步地深化国家医药卫生管理体制改革的一个攻坚性关键时期。医疗器械的发展是我国现代医疗卫生服务体系现代化建设的重要推动力和基础,具有高度的社会战略性、带动性和巨大的成长性,其独特的战略地位和重要性受到了当今世界各国的普遍高度重视,已成为一个发达国家的科技进步和其国民经济的现代化发展水平的重要历史标志[10]。