【《基于STC89C52单片机的无线运动传感器节点设计》9100字（论文）】

基于STC89C52单片机的无线运动传感器节点设计摘要随着我国综合国力的提高，现代人们的生活水平也日益丰富，促使人们对健康问题的关注度也在不断增加。本次设计就从检测人体健康的角度出发，采用STC89C52单片机作为主要的微控制模块，完成了心率检测、温度检测和运动检测等功能。其中心率检测采用心率传感器PulseSensor进行心率信号采集，通过LM393芯片对采集信号进行处理；使用DS18B20温度传感器完成温度的测量，能够实现对环境温度和人体温度的检测；利用三轴加速器模块ADXL345实现运动步数统计。最后利用BT06蓝牙模块将心率、温度、步数等信息传至手机APP上实时更新显示。本系统操作简单，性能可靠性高，使用者手动操作起来非常便捷。关键词：运动；温度；心率；蓝牙；STC89C52目录摘要 IIAbstract III目录IV1引言 12系统设计方案 12.1本文主要内容 12.2总体设计方案 23硬件电路设计 23.1单片机 23.1.1STC89C52RC描述 23.1.2STC89C52RC最小系统 33.2心率采集电路设计 33.3ADXL345运动传感器电路设计 53.4DS18B20温度传感器电路设计 63.5LCD1602液晶显示器电路设计 73.6BT06蓝牙通信电路设计 83.7DS1302时钟电路设计 93.8键盘控制电路设计 104系统软件设计 114.1系统软件流程图 114.2心率采集子程序设计 124.3运动采集子程序设计 124.4温度采集子程序设计 134.5蓝牙通信子程序设计 144.6时钟电路子程序设计 155系统调试 165.1硬件调试 165.2软件调试 195.3手机APP上位机调试 206结论 21参考文献 2211引言随着现代人民生活水平的提高，人们关注自身健康的程度也越来越高。伴随着消费电子产品各方面性能的不断升级，加之科技的不断进步，智能手环等健康监测仪器也逐渐进入了人们的普遍生活当中。它们不仅能够及时记录人们日常生活中的一些作息情况，还能将监测收集到的数据实时地传送到手机或者平板等设备上显示出来，并通过这些数据来提醒调整个人身体的健康状态，也可以合理地运用这些监控数据作为如何过上健康生活的参考[1]。通过实时采集心电信号、体表温度及运动信息，采用无线传输技术，建立传感器节点，并通过相关设备进行显示的产品得到了广泛应用，本文设计了一个基于单片机开发的智能化产品。由于采用了单片机微控制系统，使得本设计具有低功耗、小型化的特点。本设计是现代生物医学工程技术与无线传感器网络相结合的产物[2]。该系统能够实时监测人体的生理和运动信息，为测试人员的研究和分析提供了大量有用的信息。现代传感器的定义是该种装置是可以把被测量的物理量或者化学量在经过特殊处理后转化为和它本身有明确相关关系的电量输出，而无线运动传感器则强调的是无线性和运动性，这就需要本设计能够无线的传输数据信息并且在移动的过程中也能够收集数据。2系统设计方案2.1本文主要内容本文介绍了无线运动传感器节点的设计原理并对各个模块的作用进行了简单分析。本设计可以实时测量出测试者的体表温度，再由液晶屏显示出其温度数值。同时也可以测量出周围环境的温度，给测试者提供天气温度变化的信息。设计方案中采用了计步器，用户可以随时查看自己实时累计走了多少步。另外本设计中的液晶显示屏还能够显示时间，相当于一个电子手表。最重要的是本设计可以通过蓝牙和手机连接，用户只要使用手机就能够简单地了解自己一天之内的体温、步数和心率情况。本文将从六个部分来介绍本设计，如下：（1）介绍为什么决定使用单片机控制的相关知识来完成本次课题的设计。（2）介绍了包括单片机技术在内的现代信息技术来完成无线运动传感器节点的设计，并给出了本设计的总体设计方案和所需相关元件的选型。（3）详细介绍了本设计中相关的关键器件，分析了硬件的功能和兼容性后，使用相关软件画出硬件电路图。（4）画出所有的程序流程图，并根据硬件电路图情况编写出软件程序，再利用编写的程序代码让单片机可以采集数据，达到预期的效果。（5）介绍了怎么调试软、硬件设计部分的操作，也对手机显示数据方面做了的测试。（6）对整篇文章总结，并对本设计的扩展方向和后面所需要完成的任务进行了简述。2.2总体设计方案本次设计的目的是使用不同的传感器有效的收集人体的运动、心率和体表温度方面的数据，然后再用无线通信技术把数据发送到安卓手机上，能让用户随时随地看到。本设计使用单片机对ADXL345运动传感器、DS18B20温度传感器、PulseSensor心率传感器和比较器芯片LM393发送命令来采集步数、温度和心率数据，并且最后在液晶显示屏上展现出来。至于对人体心率的测量收集，本设计的心率采集模块使用两个元器件进行组合来完成这项任务，因为两者结合使用会表现出更好的效果。无线通信模块是设计中较为关键的地方，因为它是连接手机和整体设计的纽带。添加键盘模块的目的也是使得手动操作起来更方便一点。图2-1系统整体结构框图3硬件电路设计3.1单片机3.1.1STC89C52RC描述本次设计的微处理器部分采用的是STC89C52，因为其具有是低功耗和高性能的特性，还拥有8K字节的可编程、可删除的只读存储器。该芯片的功能也是在51单片机系列的基础功能上开发并且更加强大和丰富。该微控制器供电电压在4.5V到5.5V之间，并采用CMOS结构的特点。图3-1为STC89C52RC的引脚标识图。图3-1STC89C52RC引脚标识图3.1.2STC89C52RC最小系统在硬件设计上，单凭单片机的功能是不能够及时实现对系统的管理，所以需要加上其他的配备元件。单片机技术中用最少的元件构成的系统，被称为单片机的最小系统。STC89C52RC单片机最小系统中除了已经存在的单片机芯片，另外还会添加复位电路和时钟电路来维护系统工作。时钟电路利用晶体振荡器作为的信号源和提供定时器，而复位电路则是用来决定系统在运行中是否需要进行复位操作以确保正常工作。图3-2STC89C52RC单片机最小系统电路图单片机最小系统电路图如图3-2所示。图中连接晶振的方式是采用了11.0592MHZ晶振，并在晶振两端分别接30pF电容串连后连接GND。一般会将单片机的RST引脚设置为低电平，这样可以操作失误进行了复位，可通过复位端口连接按键K1实现系统的手动复位。3.2心率采集电路设计图3-5心率传感器PulseSensor模块实物图如图3-5为传感器模块的实物图。在文章《光电容积脉搏波描记法原理与其在临床上的应用》中，作者介绍了波长为560nm波长的波是如何相比其它波来说能更好地映射出皮肤组织较浅处地方的微动脉信息，对于提取脉搏信号来说更加适合。所以本设计采用将515nm波长的绿色发光二极管和565nm波长的环境光传感器结合的PulseSensor心率传感器。因为两个器件产生的波长比较靠近，这样可以提高整体的灵敏度。因为一般普通的脉冲输出信号的频带窄、幅度小，很容易被其他信号干扰，所以在光感受器后面会安装上一个由MCP6001和低通滤波器共同组成的放大器。这种方法不仅能消除其它无关信号的干扰，而且还能放大采集的相关信号[3]。图3-6心率传感器PulseSensor结构框图如图3-6是心率传感器的结构框图。该心率采集模块采用光电容积法[4]测量心率，光电容积法的基本原理是利用人体脉搏跳动时会产生不同透光率的情况来采集心率。心率传感器由发光二极管和光电传感器组成，当发光二极管的绿色光束穿过人体血管时，由于脉搏跳动而产生光传输变化，此时光电传感器将接收到的通过人体血管传输的光信号转化成电信号，然后放大输出。图3-8LM393外围电路图如图3-8所示。P3表示心率传感器PulseSensor，输出脚1接比较器LM393的反向输入。因为STC89C52RC单片机的基本功能无法将模拟信号转换成电压信号再计算出结果，所以本设计采用的是另一种方法。把心率传感器PulseSensor和比较器LM393组合使用。电压比较器LM393作为一款精度高、损耗电流少的电压比较芯片，它可以将模拟量转化成数字量，再把经过过滤杂波后的信号送到单片机的外部中断和定时器中，最后通过去除噪声等一系列的操作得到最终的心率值。3.3ADXL345运动传感器电路设计运动步数作为本设计中采集的主要信息之一，所采用的传感器为ADXL345，它能根据检测到运动中各个方向的加速度，实现运动步数的采集，其原理框图如图3-19所示。图3-19ADXL345功能框图其工作的基本原理是：通过加速度的变化使得器件中的电阻等物理量大小发生变化，这就使得ADXL345可以采集到X、Y、Z三个垂直方向上的加速度分量，而这些分量会被G-Cell传感器感知到。G-Cell传感器结构可简化为三块电容极板，左右两块极板固定，中间的极板在加速度的作用下会产生位置偏移，到两端极板的距离发生变化，电容值也会发生变化。电容值的变化在经过了容压变换器、增益放大器、滤波器和温度补偿等一系列处理后，最终以电压信号输出[5]，从而完成对加速度的测量。如图3-12为三轴加速度计模块ADXL345电路设计图。图3-20ADXL345加速传感器电路图因为ADXL345通信接口为IIC接口，故而其1、2脚SCL、SDA接单片机的I/O实现IIC通信。因为管理模块进行内部控制时已经将上拉电阻接好了，所以在使用时直接连接即可，不需要再加上拉电阻。3脚为IIC器件地址选择脚，设计中引脚接地则地址为0X6A，6脚CS为片段端，接高电平则为IIC工作方式，剩余脚均为空脚。3.4DS18B20温度传感器电路设计测温元件DS18B20是一款数字化温度传感器。和其它测温元件相比，DS18B20拥有小体积、适用电压宽、与微处理器接口简单的优点。可编程分辨率为9至12位，相对于12位分辨率，9位分辨率在极短时间内把温度转换为数字的速度更快。其引脚说明如下：表3-4温度传感器DS18B20引脚接口说明编号符号引脚说明1GND地信号2DQ数据输入输出（I/O）引脚3VDD电源输入引脚，当工作于寄生电源模式时，此引脚必须接地DS18B20是单片机外设，单片机可以直接控制DS18B20。图3-17所示为单片机与一个DS18B20进行通信的接法。图3-17DS18B20典型电路图单片机仅只需要将I/O口与DS18B20的DQ引脚相连接，就可以控制DS18B20进行工作。为提高单片机I/O口驱动的可靠性，在总线上设置了上拉电阻。图3-18DS18B20电路设计图如图3-18所示为DS18B20电路设计图，P6就是DS18B20，DQ引脚与单片机的I/O引脚连接，系统工作时只需要接一次上拉电阻。通过写不同ID的方法，单片机的P2.0引脚可以连续读取到被采集的温度数据。DS18B20芯片的优点之一是既可以测量用户自身的温度，同时也可以测量出用户周围环境的温度[6]。因为DS18B20温度传感器仅有一条数据线，所以单片机只需要通过接入DQ引脚就可以实现温度数据的采集。3.5LCD1602液晶显示器电路设计LCD是一种新型的高分子复合材料，自上个世纪中叶以来，由于其诸多特性，已经开始在世界范围内广泛应用于轻薄型的信息显示技术上。图3-12LCD1602实物图如图3-12为LCD1602实物图。LCD显示技术的基本原理是利用液晶自身的电光效应：LCD本身的分子排列通常是有序的，但是由于直流电场的作用，分子排列会被干扰，有些LCD的颜色会加深，从而显示出数字和图像[7]。本设计采用LCD1602低功耗液晶显示器作为无线运动传感器节点的显示终端，因为它具有字符库，可以直接写入数据。图3-13LCD1602液晶电路设计图如图3-13为LCD1602液晶电路设计图。表3-2为LCD1602的16个引脚接口说明。表3-2液晶1602引脚接口说明编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5R/W读出/写入选择端6E使能端7~14D0~D7双向数据线表3-2（续表）液晶1602引脚接口说明编号符号引脚说明15BLA背光源正极16BLK背光源负极3.6BT06蓝牙通信电路设计蓝牙模块作为短距离无线通信技术的一种载体，可以取代有线电缆，支持一对一或一对多的通信交流。本设计采用的BT06蓝牙模块为包含了蓝牙功能的基本电路集合芯片。该模块具有低成本、低功耗、小尺寸、高灵敏度等优点，只需配置少量外部设备即可实现其强大功能[8]。BT06蓝牙模块实物图如图3-14所示：图3-14BT06蓝牙模块实物图BT06蓝牙模块的管脚排列及描述如图3-15所示：图3-15BT06蓝牙模块的管脚排列图表3-3BT06蓝牙模块引脚接口说明编号符号引脚说明1RXD串口数据接收2TXD串口数据发送3GND地线4VCC电源3.6V-6VBT06蓝牙模块主要用于对所需数据进行短距离的无线传输，即能够与手机上的蓝牙功能直接相连，然后传输数据到手机上。它不需要使用复杂的电缆连接，可以直接替换串行线。模块内置蓝牙V3.0通讯网络协议，并且管理模块进行连接时是透明传输的[9]。该模块支持AT指令操作，可以通过BT06蓝牙模块与串口进行简单通信。该模块出厂时即支持主从机的设定。如图3-16所示，P2为BT06蓝牙模块。通过BT06蓝牙模块可以帮助本设计与手机之间进行通信。图3-16BT06蓝牙模块电路设计图3.7DS1302时钟电路设计本设计的时钟电路采用的是DS1302芯片，其内含有31字节的临时存储数据的RAM寄存器，具有涓流充电和低功耗的特点。如果想要实现DS1302和单片机同步通讯，那么就需要RES复位，I/O数据线，SCLK串行时钟三线接口。时钟电路可以对秒、分、时、日、月、年进行计时，也可通过AM/PM指示来切换24小时或12小时的计时格式[10]。DS1302不仅具有计时器功能，还可以对年月日、时分秒、星期的计数，而且年计数可达2100年。如图3-9为时钟芯片DS1302实物图。图3-9时钟芯片DS1302实物图如图3-10为DS1302的管脚排列和描述。图3-10DS1302管脚排列表3-1时钟芯片DS1302引脚接口说明编号符号引脚说明1Vcc2电源2X1晶振管脚3X2晶振管脚4GND电源地5RST输入信号，复位表3-1（续表）时钟芯片DS1302引脚接口说明编号符号引脚说明6I/O数据位7SCLK串行时钟线8Vcc1后备电源如图3-11为DS1302时钟电路设计图。图3-11DS1302时钟电路设计图图3-11中U2表示为DS1302时钟芯片，为了能够给系统提供稳定的1HZ的时钟，该芯片采用的是32.768KHZ晶振。原因是32.768KHZ的时钟晶振产生的振荡信号在经过石英钟内部分频器进行15次分频后会得到1HZ的秒信号[11]。另外，在设计中连接一个电压为1.5V的纽扣电池作为后备电源，这样就可以保证DS1302时钟在系统断电后的所存储的数据不会被立刻清除掉。3.8键盘控制电路设计因为本设计不仅能够显示出想要采集的数据，还有时钟的功能，仅靠液晶显示器单个界面是不能全部查看的，所以添加按键功能来完善本设计[12]。按键不仅可以切换显示屏的数据界面，还有步数清零的功能。如图3-21所示为键盘电路设计图，想要判断按键是否按下只要检测单片机引脚的高低电平即可。图3-21键盘电路设计图4系统的软件设计本章节介绍了系统的软件设计。本设计的设计功能具体如下：（1）可以实时采集到温度信号、心率信号和步数；（2）可以使用液晶屏准确显示出被采集到的数据，并且可以通过按键切换查看；（3）可以使用手机实时查看当前心率、体温、环境温度、步数等信息；根据电路原理和设计要求，本设计决定使用Keil4电脑编程软件进行编程。本章先是介绍了系统软件流程图，然后逐个介绍了各个功能模块的程序设计，最后结合硬件电路编写程序来将所有单个模块连接组合成一个整体系统。4.1系统软件流程图本设计的整体软件设计的流程图如图4-1所示。图4-1总体程序流程图首先进行系统初始化，然后再进入主程序循环。初始化就是将一些基本功能恢复成默认设置。主程序循环系统中主要是实时采集温度传感器，加速度传感器和心率传感器所测量到的数据。键盘模块子程序运行时是一直刷新的，所以当程序检测到切换按键被外界人为按下时，液晶显示器接受信号提示就会切换显示界面。最后蓝牙模块在内部定时器的操控下，会间隔几秒发送一次采集到的数据到手机APP得的数据显示界面。4.2心率采集子程序设计本设计的心率采集部分是使用PulseSensor心率传感器结合LM393比较器芯片完成的，将采集到的心率模拟信号转化为脉冲信号，然后送到单片机的定时器和外部中断处进行处理后的得到心率数值。如4-4心率采集流程图如图4-4为心率采集流程图，开始后将单片机的外部中断初始化配置为低电平启动，并将定时器的中断设置为每60ms一次，然后再进行下面的循环测量。设置中断时间为1.25ms，即当前测到的心跳与前一次心跳的时间间隔。当两次心跳的时间间隔超过了设置的1.25ms时就会被程序判定为无用的心率，相反低于1.25ms就被判断为有用的。最后从采集到的5次心率中计算出平均值，再拿60000除以平均值就会得到最终的心率。4.3运动采集子程序设计虽然本设计中的运动传感器是三轴加速度传感器，但是其内部功能可以将加速度转换为步数被系统进行采集。图4-5计步子程序流程图如图4-5为计步子程序流程图。个体的运动状态可以看作是在一个三维空间内，包括了前向、横向和纵向三个分量。ADXL345的工作原理是通过方位差的计算而得出步数的，但在此之前需要先采集三个分量方向上的加速度。先对ADXL345运动传感器进行初始化，再读取存储器中的数据，此时再读取ADXL345数据查看原来已有步数是多少。然后进入步数+1的循环中，可以通过判断X、Y、Z三个方向的角度差来判断步数是否加一。步数的记录每隔一段时间会更新一次，并且会把更新后的数据存储到EEPROM，最后在由液晶显示屏表现出来[13]。4.4温度采集子程序设计因为每个DS18B20都具有唯一的ID号，所以程序中可以通过识别ID号来实现读取该DS18B20所能测到的温度。图4-2温度传感器DS18B20程序流程图DS18B20多点总线温度读取实现图如图4-2所示。通过写程序来读取DS18B20唯一的ID号，并记录下可读取的ID号。开始时单片机会向温度传感器发送复位脉冲信号，然后判断DS18B20是否会响应。若DS18B20成功响应，则发出匹配ROM的指令。匹配ROM的指令发送成功后，再发出启动温度转换的指令。把前面记录下来的ID号发送到DS18B20等待它的响应，同时再次匹配只读存储器的指令，这样可以读取对应ID号的DS18B20所采集到的温度了。4.5蓝牙通信子程序设计当蓝牙串口助手APP和蓝牙模块完成短距离通讯连接后，单片机采集到的数据信息才能发送到手机APP上，蓝牙功能模块在无线传输信息的过程中相当于一个媒介的作用。图4-6蓝牙通信子程序流程图蓝牙通信流程图如图4-6所示。先对单片机的串口进行初始化配置，串口中断打开并设置默认的波特率。然后写程序来设置定时器的定时时间为5秒，则系统根据提示后每5秒一次把采集到的步数、心率、温度数据通过串口发送到蓝牙模块，经过蓝牙透明传输后把数据发送到手机APP上。4.6时钟电路子程序设计DS1302共有12个寄存器，每一个寄存器都有它的地址，其中有7个寄存器是和时间单位有关系的[14]。图4-3DS1302时钟读取子程序流程图如图4-3所示，首先会通过写程序来判断总电源和后备电源是否都经过了断电重启。如果不是就会关闭写保护，相反如果是就打开写保护。再经过寄存器初始化后，系统会自动写入之前就设置好的时间。然后就是时钟的即时读取，写入地址寄存器中的时间会被读出来显示在液晶显示屏上。5系统调试5.1硬件调试根据电路设计图使用电烙铁进行焊接调试，然后接通电源进行测试，检测所有功能是否正常。图5-1硬件调试图如图5-1所示，液晶显示屏里面的Step代表步数，H代表心率，Temp代表温度。当前步数为10，心率为每分钟86次，环境温度为20.0摄氏度。接下来测试按键功能。图5-2按键1功能测试图如图5-2所示，按下按键1后，界面切换到时间设置功能。继续按下按键1可以显示屏中的“>”到达指定位置，再结合按键2和按键3就能够对时间进行修改。图5-3按键2功能测试图如图5-3所示，按下按键1后，选择指定的时间单位，再按下按键2就可以增大它的数值。图中的月份变大了。图5-4按键3功能测试图1如图5-3所示，按下按键3可以减小指定时间单位的数值。图中的日期天数变小了。另外按键3还有一项功能，就是将当前采集到的步数清零。图5-5按键3功能测试图2如图5-5所示，按下按键3后，原来采集到的步数10变为了0。图5-6按键4功能测试图如图5-6所示，按下按键4后会直接显示出当前时间，方便使用者查看。图5-7复位键功能测试图本设计中还添加了复位键。按下复位键，就可以回到最初的显示界面。5.2软件调试本设计以STC89C52RC单片机为核心器件，使用KEIL4C51编写软件代码，再用PROTUES模拟软件进行调试。如图5-2为软件调试截图。图5-8软件调试截图图5-9软件调试截图其调试过程为：首先打开KEIL4C51开发软件对系统各个部分可实现功能进行程序编写，将所有错误查找出来并且清除后，再把生成HEX文件并在电脑里保存项目。接着打开PROTUES仿真软件进行画图，如图5-3所示，选择软件中的代替模块进行连接。最后将编写好的程序导入模块中，开始运行仿真。5.3手机APP上位机调试如图5-3所示为手机APP上位机调试图。将硬件和软件两部分调试完成后，接下来是收APP上机位的调试。通过蓝牙模块把系统收集到的数据传送到手机上，此时的液晶显示屏上的数据应该和手机APP显示界面的数据是一样的。图5-10手机APP上位机调试图将本设计开机并把蓝牙串口助手APP安装到手机上，打开手机自带蓝牙，在蓝牙搜索界面中可以看到名称为BT06的蓝牙设备。当连接完成后，蓝牙功能模块上的红灯就会由闪烁变为常亮，然后就可以在手机APP上实时的看到步数、心率、温度等信息，并且每隔一段时间就会刷新一次[15]。从图5-4可以看出，此时的手机APP界面和液晶显示屏显示出相同的数据，当前采集到的数据是步数为8，心率为每分钟80次，环境温度为25摄氏度。6结论结合软硬件设计和最后的上机位调试，无线运动传感器节点的设计需要表现出来的功能均已实现。硬件实物主要分为四大块：传感器数据采集、显示器显示数据、无线通信信息传输和按键控制操作，而软件部分主要是结合硬件所需要的功能编写程序，加上后面的调试。为了完善设计也添加了其他的功能，比如时钟模块和按键模块，可以查看时间和切换显示器界面。所有功能模块收集到的信息通过液晶显示器展现出来，可以实时查看这些信息。本设计使用了电烙铁对万能板进行焊接，万能板的正面是各个功能模块的元器件，背面则是导线和备用电源。本设计基本采用的是手工焊接，而手工焊接需要注意以下四点：焊接前清理灰尘和杂物，给电烙铁升温加热，焊接过程中也需要对焊接点进行清洁，最后是对焊接点的检查。这四点对焊接者来说是比较最要的，因为如果是焊接部分出了问题会影响整个控制系统，可能会白费了焊接的时间。本次焊接中部分地方使用的是锡接走线法，虽然可能会比较消耗锡，但这种焊接方法质量较高，完成后性能也比较稳定。需要实现的基本功能都已经完成，但有些地方还需要进一步改善。设计中的各个功能模块虽然可以采集到想要采集到的信息数据，但是系统的精度还是需要提高的。因为考虑到了成本和性价比等问题，在采购功能模块时并没有选择计算精度特别高的元器件。在电源方面，考虑到电池损耗和携带性因素，后期会选择小型的可充电电池为系统供电，例如充电宝。因为设计使用的是蓝牙模块，只能进行短距离无线通信，距离稍微远一点就不能接受到信号，所以如何做到长距离无线通信是后面需要解决的问题。

参考文献[1]陈华珍,夏国清,宗建华.一种老年人智能手环设计[J].现代计