【《基于单片机的智能运动手环设计》7700字（论文）】

PAGE3基于单片机的智能运动手环设计摘要随着人工智能技术的不断发展，越来越多的智能产品进入大众的生活中，传统的身体检测形式已在互联网的发展下变得更高效，本文是利用单片机基础知识结合传感器检测技术完成的一套基于stm32单片机的智能运动手环设计。基于stm32单片机的智能运动手环从客户使用的便捷性出发，围绕市场需求进行智能产品设计，设计出一款包含报警模块、显示模块、温度检测模块、心率传感器模块、三轴加速度传感器的智能运动手环。本文所设计的基于stm32的智能运动手环，整体成本低，系统的测量精度较高，且使用单片机进行控制有效的减小系统体积，使得手环携带便捷，是一款能够满足自主参数监测和控制的综合性集成设计。最终实验结果显示,本次课题的基于stm32的智能运动手环,效果良好,能有效提高人们生活健康监测。本次设计的硬件成本比较低,适合实际生活中使用,具有较高的使用和推广价值。关键词：STM32，心率检测，智能运动手环目录TOC\o"1-2"\h\u10122第一章绪论 4120341.1智能手环领域的发展现状 443681.2系统设计的实现 5276311.3智能手环的国家标准 5227621.3.1安全性与性能要求 5223091.3.2性能参数要求 648961.4智能运动手环的在生活中的应用 7267771.5本文的主要研究内容及论文结构安排 7928第二章系统的总体方案设计 8310152.1设计要求 8148322.2系统整体设计 8296762.3主控制模块的选择 9285772.4心率监测模块选择 9254632.5显示方案的选择 10264322.6加速度传感器的选择 10167592.7温度检测模块 10142862.8报警模块 1125800第三章硬件电路的设计 1143643.1系统的功能分析和体系结构设计 1123263.2模块电路的设计 1210019第四章系统调试与分析 2011354.1系统的软件调试 20103384.2硬件测试 2088204.3实物测试 21302574.4系统的调试分析 226669第五章结论 2225200参考文献 23第一章绪论1.1智能手环领域的发展现状在互联网飞速发展的推动下，国内智能手环的发展呈现积极的势头,根据前人研究的文献进行分析,基于stm32单片机的智能运动手环从提出到引用,不到五年的时间,就已经在新加坡、挪威、瑞典、美国、日本等经济发达的区域应用开来,广泛引用于教学培训和科研模拟。对于智能运动手环产品而言,人们更关注的是产品是否安全、使用的过程中所到来的舒适性、对人体是否会产生影响、是否能够实现想要的功能等;在高度集成智能化的前提下，智能手环产品还需要有安全保证。在国外的智能产品的开发与设计之中,经过层层的筛选和改良最终确定根据不同的使用区域和实际价值进行产品的划分。根据现有的文献资料分析国内智能运动手环产品的发展现状。新技术发展到一定的程度,有关的公司推出了基于stm32的智能运动手环中使用的单品。2012年到2016年之间,一些发展到一定程度的互联网型企业开始进行智能化相关产品的布局、进行物联网终端产品的布局,其中以轻便型或者智能单品为主,而在此期间,以stm32单片机为核心技术开发出来的智能运动手环逐步走进人们的生活。互联网巨头的加入,推进智能产业相关产品的开发,良好的产品体验让客户对此类产品的好感度不断增加。1.2系统设计的实现本次设计采用STM32单片机作为核心控制单元。根据系统设计的方案，系统包括以下模块：STM32处理器主模块、显示模块、报警模块、温度检测模块、心率检测模块、计算步数模块等。STM32主控模块，将发送的信号，根据控制算法做出控制决策。电源模块，为整个系统提供稳定供电，传感器模块检测身体状态，蜂鸣器在身体状态超出阈值时进行报警提示。1.3智能手环的国家标准1.3.1安全性与性能要求安全性与性能要求如表1所示：1.3.2性能参数要求性能参数要求如表2所示：表2性能参数要求1.4智能运动手环的在生活中的应用智能手环是可以穿戴的智能设备。对市场来说也是很有魅力的装饰品。智能环在体育运动中的应用主要是以下几点：计步器。智能手环作为一种高档的计步器,不仅可以显示人的运动步数,还可以精确的显示运动者运动的距离、消耗的卡路里等。闹钟智能手链不仅具有一般的闹钟功能，还可以帮助用户设定疲惫的时间来促使自己休息。健康管理。在这一点上，智能操作是通过设备准确监控这些数据，如私人健康管理者，日常的步调计算、睡眠监测、运动心率监测、智能操作等我会保护用户的健康。接电话。接电话是智能手环的功能的一部分，不用从口袋里取出手机也可以接电话。目前，有接电话功能的智能手环很少见。睡眠监测用户在睡觉前可以设置为智能手机的睡眠模式。起床后与智能手机同步，用户的睡眠时间、觉醒时间或深度睡眠/浅睡眠、整体睡眠质量等信息可以直观显示。1.5本文的主要研究内容及论文结构安排第一章：介绍本设计相关领域的发展现状，系统设计的实现、智能手环的国家标准和应用；第二章:介绍系统总体设计方案的选择；第三章:介绍系统硬件和软件电路的设计；第四章:介绍系统软件的设计；第五章:介绍系统调试与分析；第六章:总结。第二章系统的总体方案设计2.1设计要求本设计要求设计一个运动手环装置，该装置要求能够实现对人运动时的心率，体温，步数进行监测。本设计的设计原则是尽可能提高心率的测量精度、尽可能提高步数的计算精度、尽可能提高体温的测量精度。2.2系统整体设计2.2.1本次设计方案的步骤可以分为以下4个方面:1、进行相关数据的采集，获取数据以及进行数据间的模数转换。2、数据传输通道的搭建，把数据采集端和数据处理段进行数据传输。3、单片机中央处理系统对数据进行逻辑处理，进行数据的人性化展示。4、单片机将采集到的数据进行处理，通过显示模块显示运动情况。图2模块连接图2.2.2智能手环系统指标设计本次智能手环系统的指标设计如表3所示：表3系统主要设计参数指标参数电源电压3.3VDC+/-0.5%温度检测0-60摄氏度分辨率128x64加速度检测+/-8g2.3主控制模块的选择方案一采用STC89C52单片机作为主控制器,STC89C52单片机的内核是基于51内核的微控制器,高效的工作频率以及内置可反复擦拭的Flash程序读取器。兼容多种引脚结构,51单片机的特点主要体现在数据的快速读取以及集成51字节的RAM,对于数据采集系统来说处理数据完全没压力,内置高效的复位电路节省了外部接口空间资源。可通过串口直接进行程序传输,不用专门的编辑器。但本次设计的智能运动手环其环境以及数据持久分析要求性比较高。方案二采用STM32单片机为主控制器,STM32单片机内核的工作状态稳定,能够快速的实现大量运算,并且有较低的功耗。STM32系列单片机众多DMA通道,多种的内部中断以及和多种方式的管教数据输出，能为智能运动手环的数据采集提供可靠的基础。STM32单片机当下市场的占比也比较高,相关开发文档比较完善,非常适合相关数据检测系统的开发。综上，故选择方案二。2.4心率监测模块选择方案一采用谐振式传感器采集心率信号，该传感器主要用来测量压力，其原理为改变电或机械的固有参数来改变谐振频率，但其传出的电信号较弱，易于受到外界干扰，所以测量难度较大，对于本次设计来说该方案是一种不太理想的选择。方案二采用脉搏心率传感器采集信号，该传感器利用反射原理是通过测定人体内红细胞的氧含量，测定脉搏的导电率的方法来计算心电检测和脉搏的时间差，根据检测的时间差，可以得到血压的信息。该方案比较简单准确，是一种比较理想的选择。综合以上两种方法，故选择方案二。2.5显示方案的选择方案一采用LCD屏幕显示，LCD显示屏的优点是耗电量低、体积小、辐射低.主要用来显示大量的文字，数据等，对于本次设计来说不是最理想的一种选择。方案二采用OLED屏幕显示,LED屏幕价格适中,比较合适显示数字,且OLED屏幕比LCD屏幕少了一个背光结构,可以有效地减小设备体积,适合在小尺寸的设备上使用,而且OLED的对比度比LCD更好,在强光下显示效果更好。综上，故选择方案二。2.6加速度传感器的选择方案一采用三轴陀螺仪来检测人的位置信息，通过三轴陀螺仪通过测量物体的角速度，以判别物体的运动状态，该传感器的精度高，稳定性强，但控制较复杂。方案二：采用基于ADXL345速度传感器的计步模块来检测人的运动信息，ADXL345功能强大，内置很多寄存器、分辨率高、功耗低,易于控制。对于本次设计是一个理想的选择。综上，故选择方案二。2.7温度检测模块方案一：采用基于热敏电阻温度传感器的温度检测模块，该模块可以通过在一定温度范围内测量热敏电阻值的变化来获得测量介质的温度变化。热敏电阻的特点是测温范围广,能达到-40°C~300°C,但是精确度没有数字温度传感器好。方案二：采用基于DS18B20温度传感器的温度检测模块，DS18B20是常用的数字温度传感器，DS18B20温度传感器的特点是精度高,不易受干扰,但是测温范围比热敏电阻小，该传感器支持3.3V或5V供电。温度传感器DS18B20使用广泛，性价比高，测量精准高，符合本次设计要求。综上,故选择方案二。2.8报警模块方案一：采用有源蜂鸣器，有源蜂鸣器的驱动频率是固定的，只能发出一种频率的声音且有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，其价格便宜，控制方便直流电压驱动可以发声。本设计的蜂鸣器起提醒作用,不需要发出不同的声音,所以选择有源蜂鸣器。方案二：采用无源蜂鸣器，其没有固定的驱动频率，可由驱动信号驱动其发出不同的声音。价格便宜，声音频率可控，由于本设计的蜂鸣器起提醒作用,不需要发出不同的声音,所以选择有源蜂鸣器。综上，故选择方案一。第三章硬件电路的设计3.1系统的功能分析和体系结构设计3.1.1系统功能分析具体功能如下：1、用加速度传感器测量运动情况，计算步数和速度。2、用心率传感器测量心率。3、用温度传感器测量温度。4、oled屏幕显示步数、速度、距离、心率和温度值。3.1.2系统总体结构该系统的具体框图在图3中示出。3.2模块电路的设计3.2.1STM32处理器核心电路设计单片机核心板接口电路图如图4：。STM32处理器核心板的内部原理图如图5：STM32单片机核心板实物图如图6：3.2.2oled显示模块电路设计与以往的LCD屏幕相比，oled屏幕更具优势，oled屏幕的厚度可以控制在1mm以内，而lcd屏幕的厚度大概在3mm左右。Oled具备广视角，而lcd不具备.且oled屏幕具有更高的效率、更低的耗能。一、0.96屏oled主要技术参数如下：（1）分辨率：128*64；（2）支持电压3.3V/5.0V；（3）工作温度：-40~85度；显示电路原理图如图7所示：显示模块流程图如图8所示：其实物图如图9所示。3.2.3ADXL345加速度传感器模块电路设计这次的设计使用了三轴加速度传感器,三轴加速度传感器是大多数手环设备所采用的方案,一般来说三轴加速度传感器自带数字运动处理器,所以与单片机连接时可以直接通过数字信号进行数据传输。从方案成熟度和经济性来选择,本设计选择MPU6050传感器模块作为本设计的加速度传感器。该传感器通过IIC通信与单片机相连,2脚为SDA脚,用于传输数据,1脚为SCL脚,提供通信时钟,8脚为INT脚,用于输出中断信号,9脚为AD0脚,用于设置模块的地址,悬空时地址为0x68,接高电平时为0x69。图10ADXL345模块接口图ADXL345模块内部电路图如下图所示。ADXL345模块的实物图如下图所示。图12ADXL345模块的实物图3.2.4脉搏心率传感器模块电路设计心率测量的主流方法有光电测量与生物电位测量两种。生物电位测量易受环境因素干扰,如运动或汗液都会影响测量,不适合在手环中使用。所以本设计采用光电测量。光电测量模块原理基本相同,本设计选择plusesencer作为心率传感器,这款传感器是专为手腕测量心率设计的,十分适合本设计的应用场景。该芯片有一个输出端口,输出信号为模拟信号,支持3.3~5V供电。该模块可以直接将心跳转换为电位变化,通过测量电位的变化频率即可计算出心率。一、接口说明（1）+外接5V（2）-外接GND（3）S输出接口（0和1）心率传感器模块的接口原理图如下图所示。心率传感器理论上输出的波形如下：实际测试得出的波形图与如下图所示的理论波形基本一致。由于该波形不是方波信号，所以考虑加入LM393比较器将波形转变为方波型号便于检测心率传感器的输出信号，加上LM393比较器模块滤波后的波形图如下图所示。LM393是一种双电压比较器集成电路，LM393比较器模块电路原理图如下图所示，LM393的比较电路的R1为分压电阻，作用是将接受到的模拟信号转变为模拟电压信号。C1,C2为滤波电容，其主要作用是让电源输出更加的稳定。R2,R3为限流电阻，其主要作用是防止LED灯被烧毁。3.2.5DS18B20温度传感器模块电路设计市面上主流的温度测量方法为热敏电阻测量法与数字温度传感器测量法,热敏电阻的特点是测温范围广,能达到-40°C~300°C,但是精确度没有数字温度传感器好。数字温度传感器的特点是精度高,不易受干扰,但是测温范围比热敏电阻小。本设计采用数字温度传感器方案,因为不需要过高的测量范围。本设计中涉及的传感检测为温度数值的检测,在设计中选用DS18B20进行温度参数的检测,检测机器运行时的温度数据,引入外部电源是为了在读取数据的时候确保能够有足够的功率。DS18B20技术参数：1.测温范围:55°C~+125°C

2.测量精度:+0.5°C@(-10°C~85°C)

3.最小分辨率:0.0625*C

4.供电电压:3.0~5.5V/DC

5.不锈钢管尺寸:常用06*30mm

06*50mm;DS18B20温度传感器实物图如下：DS18B20温度传感器原理图如下。R1为上拉电阻，其目的是保证DS18B20传感器的数据读取更稳定。DS18B20通过单总线与单片机连接,即图中的2脚,该传感器支持3.3V或5V供电。DS18B20温度传感器PCB封装图如下：第四章系统调试与分析4.1系统的软件调试软件的调试步骤如下。1、创建工程。单击菜单栏中的“工程”，输入新的工程名称并保存。然后，选择宏处理器的型号STM32F103C8T6”。2、写入源文件。在新建的空白文本中创建程序源代码，对文件的保存完成和文件扩展名的“设计名.c”进行编码，新文件的制作完成。3、程序编译和调试：单击编译按钮，系统执行文件。在输出窗口中显示提示信息。如果有错误信息，请按提示寻找错误并修正。提示没有错误，直到实物功能符合要求为止。4.2硬件测试最后一步就是硬件整体测试，主要运用万用表、直流电源或示波器对焊接好的电路板进行整体调试，主要检查每一个器件是否都能正常工作，主要分为两个环节即动态调试和静态调试。4.2.1静态调试其中静态调试主要分为以下五种：静态调试主要分为以下5个部分。1、根据观察方法。主要看焊接点是否充实。另外，连接设备之间的连接或零件的管子脚没有焊接或短路。2、使用万用表调试。首先确认电源是否短路，测量销的连接是否正确。逐步排查实物连接是否成功。3、进行电气检查。完成第一步和第二步也没关系。接下来通过电流检查各设备是否正常运作，逐个测试功能。4、主控制芯片的调试,.统正常上电后,在系统运行一小会儿后,按下复位键,观察此刻系统的运行状态,判断复位信号是否有效。5、实物的调试。观察定义的程序功能是否实现,若实现相应的功能,则表明调试成功。4.2.2动态调试动态调试主要是静态调试没有问题，所以进行最终检查。各设备是否正常运行，满足系统开发的功能，防止设备内部损伤，影响系统性能。4.3实物测试实物测试主要是对实物的功能指标进行验证，其过程按照以下步骤进行:1、实物上电测试2、程序下载测试3、实物功能测试功能测试：程序开始运行时，首先单片机对各个模块初始化，然后单片读取各个模块的信息，即温度、心率、手环信息，单片机将数据通过oled屏幕进行显示。然后，测试温度检测功能，对着温度传感器进行升温和降温处理，温度数值发生变化说明温度测量功能正常，如图28。接着测试计步功能，摇晃手环系统，步数和里程数得到增加，说明计步功能正常，图29为计步功能测试，图中S是步行速度，T为累计步数。最后测试心率功能，将手放在心率传感器上，观察显示屏的心率是否改变，如图30。图27上电测试图28温度测量功能测试图29计步功能测试图30心率监测功能4.4系统的调试分析在硬件模块以及软件编码测试完成后，确保各个管脚测试成功以及软件封装函数数据获取成功后，要做的就是整体环境的测试，把各个数据采集模块以及交互模块进行集成测试，检测每个模块的数据衔接是否出现问题。在整个硬件软件整体进行调试的时候，测试工作是很重要的，随着采集模块的变多，各种潜在的错误会显现出来，需要及时的定位并改正错误。最后，在整个调试完成后，本设计完成。第五章结论本次设计通过多次的整体电路仿真,软硬件调试，最终使该智能运动手环能够完成功能。本设计结构简单,调试方便,系统反映快速灵活,硬件电路由可拆卸模块拼接而成有很大的扩展空间。经实验收测试,该智能运动手环设计方案正确、可行,各项指标稳定、可靠。当硬件数据获取正常后,配合单片机进行单个模块的检测。当数据接收完毕后,进行整个模块的集成配合,之后用C语言编程进行子函数的封装以及提示语的编写。当整个系统实现功能后,进行模拟环境下的功能测试,测试整个系统工作的性能。整个智能运动手环开发下来,让我学到了做什么事情都不能一步登天,要进行相关的步骤分析以及一步一个脚印踏踏实实的进行开发，一个可能简单的错误有可能让自己耗费大量的时间排查,这样既不利于我们的开发工作也不利于整个系统的后期检测和维护。我也学会了在硬件编成下的逻辑，在采集数据较多的情况下,我们要改变我们的思维,要进行数据的分块获取,在每个数据单独获取后,我们才能够对不同的功能逻辑进行编程。在系统软件开发过程中,我们软件运行的开始,我们要进行模块的管脚初始化,只有在确保硬件数据传输畅通的前提下,才能顺利的进行数据的判断。在整个智能运动手环的开发过程中，只有扎实的工作才能实现系统的开发,不应该想着投机取巧。在整个系统开发过程中,也考虑到相关及时性的要求,系统能在短时间进行数据采集以及判断。最后,我们开发的系统只能实现几个简单的功能,只能够满足本次系统开发的目的。多余复杂的判断还需要进行后期的学习。在后期也可以添加不同的功能模块。参考文献[1]叶礼梓,王宗忠.面向居家老人的LifeCall智能手环模型构建[J].科技与创新,2021,(06):124-125.[2]路开放.可穿戴式血压监测设备的设计与实现[J].电脑知识与技术,2021,(07):225-227.[3]董威.智能手环是如何测心率的？[J].老年教育(长者家园),2021,(02):44.[4]董仁静.基于智能手环的孕妇远程健康诊疗干预系统设计[J].中国科技信息,2020,(22):49-50.[5]李智,周藜藜,龚姝.智能手环在患者术后早期下床活动监测中应用的研究进展[J].中国护理管理,2020,(11):1700-1703.[6]陈芳,周菁菁.多云环境下智能手环联网数据密钥分配算法[J].计算机仿真,2020,(10):239-243.[7]崔宏恩,朱茂林,张新白,方帅,张超.基于可穿戴智能手环的血氧饱和度性能评估研究[J].工业计量,2020,(S1):1-5+8.[8]王彰云.基于STM32智能手环控制系统