可穿戴監(jiān)測設(shè)備硬件設(shè)計(jì)的案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u26460可穿戴監(jiān)測設(shè)備硬件設(shè)計(jì)的案例綜述 1277251.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 1153501.2各模塊電路設(shè)計(jì) 1306481.2.1主控模塊電路設(shè)計(jì) 1127171.2.2心率模塊設(shè)計(jì) 3132641.2.3體溫模塊設(shè)計(jì) 4302901.2.4顯示模塊設(shè)計(jì) 523621.2.5電源模塊設(shè)計(jì) 61.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)硬件部分由STM32主控制模塊、體溫監(jiān)測模塊、血氧監(jiān)測模塊、心率監(jiān)測模塊、OLED顯示模塊。主要功能是采集人體的體溫、心率、血氧飽和度等數(shù)據(jù)并且通過OLED顯示屏顯示信息提醒使用者。STM32F103C8T6微處理器作為主控模塊，采集本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能數(shù)據(jù)信息。MAX30102光電反射傳感器用來采集心率和血氧飽和度。DS18B20數(shù)字溫度傳感器用來采集體溫。OLED顯示屏用來顯示采集到的體溫、心率和血氧飽和度信息。1.2各模塊電路設(shè)計(jì)1.2.1主控模塊電路設(shè)計(jì)主控芯片是整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的主要核心部件。用來獲取各功能模塊采集的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行分析，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡聊簧?，這也是決定系統(tǒng)各項(xiàng)功能能否最終實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。結(jié)合多方面因素考慮，系統(tǒng)的核心處理器采用STM32系列處理器STM32F103C8T6芯片。它是基于ARM?Cortex?-M3的32位微處理器，它擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線，不需要指令總線訪問數(shù)據(jù)，運(yùn)行速度大幅提升，并且具有豐富的外設(shè)接口，可以進(jìn)行多種電路搭配，它具有48個(gè)引腳，不能完全實(shí)現(xiàn)所有功能，因此具有引腳復(fù)用功能，集成度和功能性大大加強(qiáng)，代碼執(zhí)行效率也大大提升。選擇此款控制芯片有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)外圍擴(kuò)展電路，并且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，方便開發(fā)。本系統(tǒng)的控制芯片在學(xué)習(xí)了單片機(jī)課的基礎(chǔ)上，易于掌握，對學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)研究都很有價(jià)值。本系統(tǒng)主控模塊采用的STM32F103C8T6芯片的實(shí)物如圖1.1所示圖1.1STM32F103C8T6實(shí)物圖本設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)是以STM32F103C8T6芯片為主控模塊的單片機(jī)[4]。該最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和晶振電路組成。本系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路由外置時(shí)鐘電路提供時(shí)鐘信號，接地就可以輸入時(shí)鐘，外部高速時(shí)鐘(HSE)采用晶體諧振器，為了時(shí)鐘的穩(wěn)定性，通常采用8MHz的外部諧振器，低速外部時(shí)鐘（LSE）采用32.768KHz的晶體諧振器，為了穩(wěn)定晶振的頻率，加上兩個(gè)22pF的電容。為了晶振震蕩更穩(wěn)定，在高速時(shí)鐘電路上加上一個(gè)1MΩ的電阻，可以減小電路阻抗變化，使電路更好的工作。本系統(tǒng)的按鍵復(fù)位電路，在按鍵后NRST引腳會(huì)被拉低，會(huì)進(jìn)行復(fù)位產(chǎn)生復(fù)位脈沖，從而達(dá)到系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路圖如下圖1.2所示。圖1.2主控電路圖1.2.2心率模塊設(shè)計(jì)在可穿戴設(shè)備上，考慮對安全、便攜的需要本設(shè)計(jì)選擇的是非侵入傳感器，既安全又便捷。由于新冠疫情的背景，所以本設(shè)計(jì)測量心率選擇的是光電容積脈搏法（PPG），此方法是無創(chuàng)可連續(xù)的。結(jié)合上述方法，本設(shè)計(jì)采用MAX30102心率傳感器，它是一款低功耗，低成本，使用方便的光電傳感器，適用于可穿戴設(shè)備。MAX30102是集成心率、血氧飽和度監(jiān)測的紅外光學(xué)生物傳感器模塊，能夠同時(shí)監(jiān)測人體的心率和血氧飽和度。MAX30102發(fā)光部分是兩個(gè)LED，一個(gè)紅光LED，一個(gè)紅外光LED，內(nèi)置光電檢測器，并且包含一個(gè)低噪聲的電子回路。MAX30102為內(nèi)部LED提供電源和標(biāo)準(zhǔn)的I2C兼容通信接口。MAX30102如圖1.3所示。圖1.3MAX30102實(shí)物圖通過對MAX30102內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分析，芯片內(nèi)部電路由模擬信號采集電路和數(shù)字處理電路組成。其中，模擬采集電路通過紅色LED和紅外LED發(fā)出光射在脈搏皮膚上，接著采集皮膚反射的光，將光信號經(jīng)過濾波放大轉(zhuǎn)換為電信號，通過內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字處理電路將電信號進(jìn)行濾波存放在內(nèi)部寄存器，由STM32單片機(jī)通過I2C接口讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，由顯示模塊進(jìn)行顯示。傳感器內(nèi)部具體的結(jié)構(gòu)框架如圖1.4所示。圖1.4MAX30102結(jié)構(gòu)圖MAX30102引腳圖如圖1.5所示。圖1.5MAX30102引腳圖MAX30102的電源引腳接1.3V電源，SCL引腳接I2C的時(shí)鐘總線，SDA接I2C的數(shù)據(jù)總線，INT接單片機(jī)中斷引腳，GND接地。MAX30102和STM32單片機(jī)采用I2C協(xié)議，其中SCL腳與單片機(jī)的PB9引腳相連，SDA與與PB8相連。1.2.3體溫模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用DS18B20傳感器來采集溫度數(shù)據(jù)，它的測量范圍很大，它能夠測量-55℃~125℃的溫度數(shù)據(jù)，并且精度高，約為0.5℃，DS18B20采用的是單線輸出數(shù)據(jù)的方式，僅需一根口線即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它的工作消耗低并且測溫穩(wěn)定。DS18B20傳感器實(shí)物圖如圖1.6所示。圖1.6DS18B20實(shí)物圖DS18B20一共三個(gè)引腳，如圖1.7所示。圖1.7DS18B20原理圖圖中4.7K電阻作為上拉電阻，用來保證DS18B20傳感器數(shù)據(jù)讀取更穩(wěn)定。其中GND端接電源地線、DQ端為數(shù)字信號輸入／輸出端，VDD為外接供電電源輸入端。DS18B20采用單線通訊模式，采用相同的通訊引腳進(jìn)行接收和發(fā)送。在系統(tǒng)初始化后，寫入數(shù)據(jù)采集函數(shù)，DS18B20采集數(shù)據(jù)并通過內(nèi)置溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度，再通過數(shù)據(jù)總線傳送給單片機(jī)1.2.4顯示模塊設(shè)計(jì)考慮到本設(shè)計(jì)是一款可穿戴的智能手環(huán)，要戴在手上走出去，它的體積大小要適中，并且還要具有一定的美觀性，因此它的顯示屏不宜太大，所以本設(shè)計(jì)采用一款0.96寸的OLED顯示屏作為顯示模塊。OLED顯示屏的分辨率高，內(nèi)部具有128*64個(gè)點(diǎn)陣，能顯示的字符多，對比度優(yōu)秀，顯示效果極好。OLED顯示屏具備自發(fā)光的能力，不需要背光源，所以它工作消耗低，利于本設(shè)計(jì)外圍電路的設(shè)計(jì)。如圖1.8是OLED基于SSD1306為核心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖1.8SSD1306結(jié)構(gòu)圖OLED顯示屏是基于SSD1306芯片的顯示屏，它能在-40~85℃的溫度下進(jìn)行工作，具有128*64點(diǎn)陣面板的分辨率，含有片上晶振，工作穩(wěn)定，它內(nèi)部有對比度控制器，內(nèi)置128*64位的SRAM顯示緩存和晶振，減少了外部消耗。它具有三種數(shù)據(jù)發(fā)送接口，支持I2C串/并行協(xié)議和SPI協(xié)議。OLED內(nèi)部芯片SSD1306模塊的原理圖如下圖1.9所示。圖1.9SSD1306原理圖1.2.5電源模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為一款可穿戴式設(shè)備，因此要為其設(shè)計(jì)獨(dú)立的電路，來滿足可穿戴和移動(dòng)使用的特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)需要的電壓不能大于1.6V，可以采用USB、充電寶、電池進(jìn)行供電?？紤]到本系統(tǒng)是一款穿戴設(shè)備，所以采用采用5V鋰電池來為系統(tǒng)電路供電，而本系統(tǒng)硬件電路電壓不超過1.6V，因此需要對電路進(jìn)行降壓。在5V轉(zhuǎn)1.3V的降壓電路中，主要采用的是AMS1117-1.3芯片，該款芯片具有過熱保護(hù)的功能，可將4.75V~15V的輸入電壓轉(zhuǎn)為1.3V，常用于便攜式設(shè)備的供電設(shè)計(jì)。在降壓電路中，輸入5V電壓之后，需要對電壓進(jìn)行穩(wěn)壓濾波處理，在芯片輸入引腳IN處加上并聯(lián)電容[6]，