目錄摘要： 基于STM32單片機的智能頭盔系統(tǒng)摘要：本文研究了基于STM32單片機的智能頭盔系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了超聲波傳感器、光敏傳感器、心率傳感器以及溫濕度傳感器，實現(xiàn)一系列智能化功能。頭盔通過超聲波傳感器檢測周圍障礙物，并在靠近時發(fā)出報警信號。同時，光敏傳感器能夠感知環(huán)境光線變化，當進入較暗環(huán)境時，自動開啟頭盔照明功能，確保用戶的安全。此外，系統(tǒng)還通過心率傳感器實時監(jiān)測用戶的心率數(shù)據(jù)，并通過溫濕度傳感器獲取環(huán)境的溫濕度信息。本系統(tǒng)在頭盔上集成了WiFi模塊，用戶能夠通過手機APP遠程查看頭盔所采集的各項數(shù)據(jù)。本文通過方案設(shè)計、電路原理圖設(shè)計、軟件代碼設(shè)計以及實物制作。最終通過實物測試驗證了該方案的有效性，證明了基于STM32單片機的智能頭盔系統(tǒng)在實現(xiàn)安全預警、健康監(jiān)測以及環(huán)境感知等方面具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：STM32單片機；心率傳感器；wifi數(shù)據(jù)傳輸；實物制作

SmartHelmetSystemBasedonSTM32MicrocontrollerAbstract：ThispaperpresentsasmarthelmetsystembasedonSTM32microcontroller,whichintegratesultrasonicsensor,photosensitivesensor,heartratesensor,andtemperatureandhumiditysensortoachieveaseriesofintelligentfunctions.Thehelmetdetectssurroundingobstaclesthroughultrasonicsensorandsendsoutanalarmwhenapproaching.Atthesametime,thephotosensitivesensorcansensethechangeofambientlight.Whenenteringadarkerenvironment,thehelmetlightingfunctionisautomaticallyturnedontoensuretheuser'ssafety.Inaddition,thesystemalsomonitorstheuser'sheartratedatainrealtimethroughtheheartratesensorandobtainsthetemperatureandhumidityinformationoftheenvironmentthroughthetemperatureandhumiditysensor.ThissystemintegratesaWiFimoduleonthehelmet,anduserscanremotelyviewthedatacollectedbythehelmetthroughthemobilephoneAPP.Thispapergoesthroughtheschemedesign,schematicdesign,softwarecodedesign,andphysicalproduction.Finally,theeffectivenessoftheschemeisverifiedthroughphysicaltesting,whichprovesthatthesmarthelmetsystembasedonSTM32microcontrollerhasgoodapplicationprospectsinsafetywarning,healthmonitoring,andenvironmentalperception.Keywords：STM32microcontroller;heartratesensor;wifidatatransmission;physicalproduction

1引言1.1選題背景及意義1.1.1選題背景隨著現(xiàn)代交通工具的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，交通事故頻發(fā)，對人們的生命安全構(gòu)成嚴重威脅。頭盔作為一種重要的個人防護裝備，能夠有效降低頭部受傷的風險，但傳統(tǒng)頭盔存在諸多不足，如佩戴舒適度差、功能單一、安全性不足等。為解決這些問題，亟需開發(fā)一種智能頭盔系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠提供良好的頭部防護，還能夠通過集成多種傳感器和通信模塊，實現(xiàn)對騎行者的生理狀態(tài)、環(huán)境信息和緊急情況的實時監(jiān)測和預警，從而提升騎行者的安全性和舒適度。STM32單片機以其高性能、低功耗、豐富的外設(shè)和良好的開發(fā)環(huán)境而著稱，非常適合作為智能頭盔系統(tǒng)的核心控制單元?；赟TM32單片機，可以設(shè)計出功能強大、穩(wěn)定可靠、易于擴展的智能頭盔系統(tǒng)，滿足騎行者的各種需求。因此，基于STM32單片機的智能頭盔系統(tǒng)具有重要的研究價值和應(yīng)用前景，可以有效提高騎行者的安全性和舒適度，為交通安全做出貢獻。1.1.2選題意義隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和智能穿戴設(shè)備的普及，智能頭盔作為一種新興的穿戴式智能設(shè)備，其選題意義日益凸顯。本文基于STM32單片機設(shè)計智能頭盔系統(tǒng)，旨在通過集成多種傳感器，實現(xiàn)安全預警、健康監(jiān)測以及環(huán)境感知等多項功能，為用戶提供更為便捷、智能的生活體驗。在心率檢測方面，智能頭盔能夠?qū)崟r監(jiān)測用戶的心率數(shù)據(jù)，對于運動愛好者或心臟病患者等特定人群具有重要的健康監(jiān)測意義。通過實時反饋心率信息，用戶可以更好地掌握自身健康狀況，及時調(diào)整運動強度或生活方式。超聲波測距避警告功能則能夠顯著提升用戶的安全性。在騎行、駕駛等戶外活動中，智能頭盔能夠檢測周圍障礙物并發(fā)出報警信號，有效避免潛在的安全風險。溫濕度檢測功能則有助于用戶了解當前環(huán)境的舒適度，從而調(diào)整穿著或采取其他措施來應(yīng)對不適的環(huán)境條件。此外，自動燈光功能能夠根據(jù)環(huán)境光線變化自動調(diào)節(jié)頭盔照明亮度，為用戶提供更加舒適的視覺體驗，并在夜間或光線較暗的環(huán)境中提高行走安全性。綜上所述，本文研究的基于STM32單片機的智能頭盔系統(tǒng)選題意義重大，不僅有助于推動智能穿戴設(shè)備的發(fā)展，還能夠為用戶提供更加安全、健康、舒適的生活體驗。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)智能頭盔的研究取得了長足的進步，提出了一種基于STM32單片機的智能騎行頭盔系統(tǒng)[1]，集成了心率檢測、超聲波測距避障預警等功能，有效提升了騎行者的安全性。針對外賣騎手的特殊需求，設(shè)計了基于智能頭盔的外賣騎手異常駕駛行為檢測系統(tǒng)[2]，幫助外賣公司加強對騎手的管理。提出了一種便于外賣公司監(jiān)管的騎手智能頭盔設(shè)計[3]，為外賣騎手的安全和配送效率保駕護航。從騎行者的舒適性和便利性出發(fā)[4]，提出了基于STM32單片機的騎行者智能頭盔系統(tǒng)設(shè)計，集成了溫濕度調(diào)節(jié)、自動燈光控制等功能。探索了基于機器視覺的外賣員安全頭盔[5]，通過對騎行數(shù)據(jù)的分析和監(jiān)控，保障外賣騎手的安全。分析了智能騎行頭盔的創(chuàng)新發(fā)展研究[6]，為智能頭盔的未來發(fā)展提供了方向。文獻[7]提出了一種智能語音頭盔，通過語音交互等功能，為騎行者提供更加便捷的騎行體驗。分析了大數(shù)據(jù)時代下智能頭盔協(xié)同安全[8]的技術(shù)發(fā)展趨勢，為智能頭盔的未來應(yīng)用指明了方向。針對即時配送場景，開展了智能騎行頭盔設(shè)計研究[9]，滿足了外賣騎手等即時配送人員的特殊需求。提出了一種基于Arduino的AR智能頭盔[10]，拓展了智能頭盔的應(yīng)用范圍。設(shè)計了一種光伏智能導盲頭盔[11]，為盲人出行提供了新的可能。開展了多場景智能頭盔監(jiān)測系統(tǒng)[12]的設(shè)計研究，為智能頭盔在不同場景下的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外在智能頭盔研究方面已取得顯著進展。重點關(guān)注智能頭盔在事故預防方面的應(yīng)用[13-14]。這些研究通過集成傳感器和算法，實現(xiàn)了事故的自動檢測和預警，有效降低了騎行事故的發(fā)生率。例如，提出了一種帶有傳感器的智能頭盔[13]，該頭盔可以監(jiān)測騎行者的生理狀態(tài)和周圍環(huán)境，并在發(fā)生潛在危險時及時預警。提出了一種新型智能頭盔[15]的設(shè)計和制造方法，該頭盔采用輕質(zhì)材料和先進的制造技術(shù)，具有良好的防護性能和佩戴舒適性。設(shè)計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能頭盔[16]，通過與智能手機連接，實現(xiàn)對騎行者生理狀態(tài)和周圍環(huán)境的遠程監(jiān)測和預警。探索了智能頭盔在其他領(lǐng)域的應(yīng)用[17]，如騎行者導航、手勢控制和娛樂等。該研究提出了一種集成了多種功能的智能頭盔設(shè)計，為騎行者提供了更加豐富的騎行體驗?？傮w而言，國外智能頭盔的研究取得了豐碩的成果，為智能頭盔的未來發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和市場需求的不斷增長，智能頭盔有望在未來得到更廣泛的應(yīng)用，為騎行者的安全和舒適保駕護航。1.3研究目標本文研究目標是設(shè)計一款融合先進傳感器技術(shù)的智能頭盔系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機為核心，通過集成超聲波傳感器、光敏傳感器、心率傳感器以及溫濕度傳感器等多種傳感器，實現(xiàn)一系列前沿的智能化功能，從而為用戶提供全方位的安全與健康保障。具體而言，本文期望通過超聲波傳感器的應(yīng)用，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測并精準判斷周圍的障礙物，一旦障礙物靠近，系統(tǒng)便能迅速反應(yīng)，發(fā)出清晰且響亮的報警信號，從而有效避免用戶因未察覺障礙物而引發(fā)的意外事故，為用戶提供堅實的安全防護。同時，本文利用光敏傳感器的靈敏特性，使頭盔具備環(huán)境光線自適應(yīng)能力。當環(huán)境光線變暗時，頭盔能夠自動開啟照明功能，為用戶提供清晰的視線，確保在夜間或光線不足的情況下，用戶仍能安全行走或駕駛。此外，本文還集成了心率傳感器，實時監(jiān)測用戶的心率數(shù)據(jù)，通過持續(xù)的數(shù)據(jù)采集與分析，用戶可以掌握自己的健康狀況，及時調(diào)整運動強度或生活方式，有效預防潛在的健康風險。不僅如此，系統(tǒng)還通過溫濕度傳感器實時獲取環(huán)境的溫濕度信息，為用戶提供環(huán)境感知功能。這一功能對于運動員、戶外工作者等特定人群尤為重要，他們可以根據(jù)環(huán)境溫濕度調(diào)整穿著或采取其他措施，以應(yīng)對不適的環(huán)境條件，保障自身的舒適度與健康。最后，本文期望在頭盔上集成WiFi模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸與監(jiān)控。用戶只需通過手機APP，便能隨時隨地查看頭盔所采集的各項數(shù)據(jù)，包括心率、溫濕度以及障礙物檢測情況等，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時管理與分析，為用戶的生活帶來極大的便利。綜上所述，本論文的研究目標是通過基于STM32單片機的智能頭盔系統(tǒng)設(shè)計，為用戶帶來安全預警、健康監(jiān)測以及環(huán)境感知等智能化功能，提升用戶的生活質(zhì)量和安全性，為未來的智能穿戴設(shè)備發(fā)展貢獻新的思路與技術(shù)支撐。1.4論文結(jié)構(gòu)安排第一章將介紹研究的背景和意義，概述目前的研究現(xiàn)狀，進一步重點描述本文研究目標。第二章將詳細闡述系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，包括功能需求、系統(tǒng)設(shè)計原則和整體系統(tǒng)框架。第三章將聚焦于系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，包括各個硬件模塊和元器件的選擇以及電路連接設(shè)計。第四章將詳細介紹系統(tǒng)的軟件代碼設(shè)計，包括系統(tǒng)運行邏輯圖、安卓APP設(shè)計等。第五章將重點進行系統(tǒng)的功能測試，驗證所研究的內(nèi)容是否實現(xiàn)，以及系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。第六章將對本研究進行總結(jié)，并展望未來可能的研究方向和改進空間。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1研究內(nèi)容要實現(xiàn)本文的研究目標，需要深入研究以下內(nèi)容：首先，在硬件設(shè)計方面，核心在于STM32單片機的選型和與各傳感器的集成。我們需要選擇性能穩(wěn)定、功耗低的STM32單片機型號，以滿足智能頭盔系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和實時響應(yīng)需求。接著，超聲波傳感器、光敏傳感器、心率傳感器以及溫濕度傳感器等關(guān)鍵部件的選型與集成也是關(guān)鍵步驟。這些傳感器需要精確、穩(wěn)定地工作，以提供準確的環(huán)境和生理數(shù)據(jù)。同時，我們還需要考慮頭盔的佩戴舒適性和安全性，確保傳感器布局合理，不會對用戶造成不適或安全隱患。其次，在軟件設(shè)計方面，我們需要開發(fā)高效的數(shù)據(jù)處理算法，以從傳感器數(shù)據(jù)中提取出有用的信息。例如，對于超聲波傳感器，我們需要設(shè)計算法來準確計算障礙物的距離；對于心率傳感器，我們需要實現(xiàn)心率的實時檢測與異常報警等功能。此外，我們還需要構(gòu)建一個穩(wěn)定的實時監(jiān)控系統(tǒng)，將傳感器數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)教幚韱卧?，并進行相應(yīng)的處理和分析。同時，為了方便用戶遠程查看和管理數(shù)據(jù)，我們還需要開發(fā)一款配套的手機APP，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸與顯示。最后，在系統(tǒng)測試與優(yōu)化方面，我們需要對智能頭盔系統(tǒng)進行全面的測試，包括功能測試、性能測試和穩(wěn)定性測試等。通過測試，我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題和不足，并進行相應(yīng)的優(yōu)化和調(diào)整。例如，我們可以優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準確性；我們還可以調(diào)整傳感器的靈敏度和閾值，以適應(yīng)不同的環(huán)境和用戶需求。2.2系統(tǒng)方案設(shè)計基于以上研究目標與研究內(nèi)容，本系統(tǒng)的設(shè)計方案首先是基于功能需求選擇各個適合的硬件模塊。其中，設(shè)備需要具備接入網(wǎng)絡(luò)的WIFI模塊，用于連接網(wǎng)絡(luò)并與手機app進行數(shù)據(jù)通信；其次是利用溫濕度傳感器以檢測環(huán)境溫濕度；利用心率傳感器實時檢測用戶心率情況；利用光敏傳感器實時檢測環(huán)境亮度，針對亮度低的環(huán)境自動開啟照明，以上檢測數(shù)據(jù)將通過顯示屏進行顯示，以及發(fā)送至遠程手機APP上。最后，設(shè)計硬件電路原理圖、軟件代碼和實物制作。2.3系統(tǒng)整體框架設(shè)計基于上述所提方案設(shè)計，設(shè)計如下圖1所示的系統(tǒng)總體設(shè)計框圖。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖由圖1得知，用戶手機app與設(shè)備之間通過云平臺進行數(shù)據(jù)傳遞，其中設(shè)備利用ESP8266wifi模塊實現(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備通過溫濕度傳感器來實現(xiàn)溫濕度的檢測，通過心率傳感器來檢測用戶心率；通過光敏傳感器進行環(huán)境亮度檢測并通過LED燈來實現(xiàn)照明；通過蜂鳴器進行報警，同時通過超聲波傳感器實現(xiàn)障礙物檢測。最后系統(tǒng)OLED顯示屏實時顯示溫濕度、心率、亮度等數(shù)據(jù)。

3硬件選擇及外圍電路設(shè)計3.1控制器單片機選擇與電路設(shè)計單片機（Microcontroller）是一種集成了處理器、存儲器、輸入/輸出和各種外圍設(shè)備的微型計算機系統(tǒng)。它通常用于嵌入在各種電子設(shè)備中，具有小巧、低功耗、運算速度快、可靠性高等特點。同時，使用單片機進行控制和處理可以大大提高電子設(shè)備的智能化和自動化程度。在眾多單片機系列中，STMicroelectronics的STM32F103C8T6被廣泛應(yīng)用，特別是在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域[14]。它擁有32位ARMCortex-M3處理器，128KB閃存和20KBSRAM，以及多種外圍設(shè)備接口，如USB、CAN、SPI、I2C等。STM32F103C8T6還支持多種編程語言和開發(fā)環(huán)境，如C、C++、Keil和Arduino等。相比于其他單片機，STM32F103C8T6具有以下優(yōu)勢[14]：1.更強的處理能力和穩(wěn)定性，可用于復雜應(yīng)用場景。2.較大的存儲空間，支持多種存儲器接口，如SPI、I2C、SDIO等。3.多種通信接口和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可應(yīng)用于各種傳感器數(shù)據(jù)采集和通信方案。4.廣泛的軟件支持和社區(qū)資源，可快速上手開發(fā)。綜上，STM32F103C8T6是一款功能強大、性能穩(wěn)定的單片機，可滿足各種嵌入式開發(fā)需求。因此，本文選擇STM32F103C8T6作為核心控制器，來制作溫度檢測系統(tǒng)。STM32f103C8T6模塊及原理圖如下圖2所示：圖2STM32f103C8T6模塊及原理圖3.2各傳感器的選擇及其電路設(shè)計3.2.1溫濕度傳感器模塊DHT11溫濕度傳感器是一種常用的數(shù)字溫濕度傳感器，廣泛應(yīng)用于各種溫濕度監(jiān)測和控制系統(tǒng)中。它采用數(shù)字信號輸出，具有簡單、易用、成本低廉等特點。由一個溫度傳感器和一個濕度傳感器組成，內(nèi)部集成了一個高精度的溫度和濕度測量芯片。它能夠通過一個單一的信號線與微控制器或其他設(shè)備進行通信，并傳輸溫度和濕度數(shù)據(jù)。DHT11溫濕度傳感器的工作原理是通過傳感器內(nèi)部的感濕材料和熱敏電阻，測量周圍環(huán)境的溫度和濕度。當溫度或濕度發(fā)生變化時，傳感器會輸出相應(yīng)的數(shù)字信號。使用者可以通過讀取信號線上的數(shù)字信號，來獲取當前的溫度和濕度數(shù)值。DHT11溫濕度傳感器及其電路連接原理圖如下圖3所示。圖3溫濕度傳感器及其電路連接原理圖3.2.2心率傳感器模塊MAX30102傳感器是一款集成了PPG和SpO2傳感器的生物傳感器，可以測量心率和血氧飽和度。它采用PPG技術(shù)測量心率，具有高精度和運動工件抑制功能。MAX30102傳感器廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備中，為心率監(jiān)測提供準確可靠的數(shù)據(jù)。MAX30102傳感器及其電路連接原理圖如下圖4所示。圖4MAX30102傳感器及其電路連接原理圖3.2.3光敏傳感器模塊光敏傳感器是一種能夠?qū)ν饨绻庑盘柣蚬廨椛渥鞒鲰憫?yīng)或轉(zhuǎn)換的敏感裝置，其工作原理基于光照射后材料中載流子的產(chǎn)生和移動。當光線照射到光敏傳感器時，光子與材料內(nèi)部的原子發(fā)生相互作用，激發(fā)出電子并使其從價帶躍遷到導帶，進而產(chǎn)生電流。光敏傳感器的敏感波長主要集中在可見光附近，包括紅外線和紫外線波長。光敏傳感器及其電路連接原理圖如下圖5所示。圖5光敏傳感器及其電路連接原理圖3.2.4超聲波傳感器HC-SR04超聲波模塊是一種常用的超聲波傳感器模塊，也被稱為超聲波測距模塊，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制和測距系統(tǒng)中。它主要由超聲波發(fā)射器、接收器、控制電路和外殼組成，可以實現(xiàn)非接觸式的距離測量。在工作原理上，HC-SR04超聲波模塊通過發(fā)送超聲波脈沖并接收其回波來計算目標與傳感器之間的距離。具體來說，傳感器首先發(fā)出一個40kHz的脈沖信號，這個信號通過傳輸介質(zhì)（通常為空氣）傳播出去。當超聲波信號遇到障礙物時，它會被反射回來，傳感器接收到這個反射信號后，根據(jù)反射信號的時差（即超聲波發(fā)出后到達障礙物，再反射回傳感器的時間），就可以計算出障礙物與傳感器的距離。超聲波模塊及其電路連接原理圖如下圖6所示。圖6超聲波模塊及其電路連接原理圖3.3各執(zhí)行器的選擇及其電路設(shè)計3.3.1蜂鳴器蜂鳴器是一種聲音發(fā)生器，本文選擇工作電壓為3.3V的蜂鳴器。當給予電壓后，內(nèi)部振膜會震動產(chǎn)生聲音。通過改變輸入的電壓信號，可以控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率和音調(diào)的聲音。適當?shù)碾妷鹤兓梢援a(chǎn)生連續(xù)的嗡嗡聲或者間歇的蜂鳴聲。這種蜂鳴器廣泛用于電子設(shè)備中的音頻提示和警報功能。蜂鳴器及其電路原理圖如下圖7所示。圖7蜂鳴器及其電路連接原理圖3.3.2顯示屏選擇OLED0.96寸IIC顯示屏作為系統(tǒng)設(shè)備顯示器，這是一種基于OLED技術(shù)的小尺寸顯示屏，具有0.96英寸的對角線尺寸。它采用IIC通信協(xié)議，能夠通過簡單的接口與微控制器進行通信。這種顯示屏具有高對比度、快速的像素響應(yīng)時間和低功耗等特點。由于其高分辨率和自發(fā)光特性，OLED顯示屏在小型設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。OLED顯示屏及其電路原理圖設(shè)計如下圖8所示：圖8OLED顯示屏及其電路連接原理圖在這里接單介紹一下IIC通訊的相關(guān)知識，IIC（Inter-IntegratedCircuit）其實是IICBus簡稱，所以中文應(yīng)該叫集成電路總線，它是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)，由飛利浦公司在1980年代為了讓主板、嵌入式系統(tǒng)或手機用以連接低速周邊設(shè)備而發(fā)展。3.4系統(tǒng)總電路圖設(shè)計基于上述硬件模塊選擇及其電路連接設(shè)計，最終得到如下圖9所示的系統(tǒng)電路原理圖。圖9系統(tǒng)電路原理圖

4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1程序編輯軟件本文使用了STM32f103c8t6控制器以及ESP8266WIFI模塊，二者均分別需要進行程序代碼設(shè)計，在本文中，STM32f103c8t6基于Keil5進行代碼設(shè)計，ESP8266WIFI模塊基于ArduinoIDE軟件進行代碼設(shè)計的，接下來分別對代碼設(shè)計軟件進行介紹。4.1.1Keil5簡介本文使用Keil5進行代碼設(shè)計，Keil5是一款流行的嵌入式C語言開發(fā)工具，它基于Windows版本的編譯器，并具有完整的集成開發(fā)環(huán)境和調(diào)試系統(tǒng)。Keil5集成了一系列工具，例如編譯器、匯編器和鏈接器，以及一個強大的調(diào)試器，它可以讓開發(fā)者在開發(fā)過程中更加高效快捷地進行代碼測試和調(diào)試。同時，Keil5還支持大量的微處理器和微控制器的芯片編程和調(diào)試，其中包括ST公司的STM32系列芯片。Keil5可以非常方便地對C語言程序進行編輯、編譯、調(diào)試和燒錄下載，開發(fā)者只需要將自己的C代碼保存在Keil5中，然后編譯并鏈接生成BIN或HEX文件，最后通過燒錄工具下載到目標STM32芯片中即可。此外，Keil5還提供了許多實用的代碼庫和模板，可以幫助開發(fā)者更快地開發(fā)出高質(zhì)量的嵌入式C語言代碼?？傊琄eil5是一款強大、高效、易用的嵌入式C語言開發(fā)工具，可以極大地提高嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的效率和可靠性，如下圖10所示：圖10基于Keil5的STM32代碼編輯界面4.1.2ArduinoIDE簡介ArduinoIDE（IntegratedDevelopmentEnvironment）是一個用于開發(fā)Arduino平臺下應(yīng)用程序的跨平臺軟件開發(fā)環(huán)境，其提供了簡單易用的代碼編寫、上傳和調(diào)試工具。ArduinoIDE提供了許多常用的庫，例如串口通信、模擬輸入輸出、脈沖寬度調(diào)制、定時器等。這些庫可以大大簡化程序的編寫，使得開發(fā)者能夠更快速地實現(xiàn)功能。ArduinoIDE的調(diào)試工具也十分便利。用戶可以通過串口監(jiān)視器查看程序輸出，通過逐行調(diào)試功能進行代碼調(diào)試，同時，IDE還提供了一個虛擬示波器，幫助用戶更好地了解程序的運行情況。ESP8266可通過使用的IDE代碼編譯軟件為Arduino,之所以選擇這款編譯軟件是因為其內(nèi)部含有部分代碼庫，非常便利于代碼設(shè)計者，無需進行過多的代碼編寫即可實現(xiàn)相應(yīng)功能。Arduino開發(fā)界面如下圖11所示：圖11Arduino開發(fā)ESP8266代碼界面由上圖11所示為新建工程代碼，含有兩個函數(shù)：voidsetup()和voidloop()。其中voidsetup()作為初始化函數(shù)，這里需要將嵌入式單片機的相應(yīng)引腳進行模式、輸入輸出功能的啟用聲明等；voidloop()函數(shù)為主循環(huán)函數(shù)，所有需要實時處理的工作都需要放在這里進行執(zhí)行，因此代碼設(shè)計時需要將實時監(jiān)測的代碼編寫于此。另外，本IDE代碼編譯軟件適用于合作嵌入式單片機的代碼開發(fā)，在對ESP8266的代碼開發(fā)工程中，需要選擇對應(yīng)的控制板，IDE才可以匹配相應(yīng)的庫文件提供選擇并使用。若選錯控制板，編譯將不會通過更無法將代碼燒錄至控制板中。接下來將進一步較為詳細的介紹本文在系統(tǒng)設(shè)計中程序代碼部分的設(shè)計情況。4.2系統(tǒng)整體代碼流程設(shè)計系統(tǒng)整體代碼流程如下圖12所示，系統(tǒng)首先進行初始化，接著連接云平臺，若未成功則重復連接；若成功則進行溫濕度、心率、亮度等數(shù)據(jù)采集，若心率過高或者超聲波測距得到距離障礙物近，系統(tǒng)將自動開啟報警提示，反之關(guān)閉報警。當環(huán)境亮度過低，系統(tǒng)將自動開啟照明燈光。進入下一步，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至云平臺，再由云平臺將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至用戶手機APP端，以便用戶遠程查看數(shù)據(jù)。圖12系統(tǒng)整體代碼流程圖4.3各傳感器模塊代碼設(shè)計4.3.1ESP8266連接云平臺代碼設(shè)計設(shè)被接入點燈科技云服務(wù)器有官方給的模板代碼，并給予該模版進行個性化需求設(shè)計，具體代碼設(shè)計如下：Blinker.begin(auth,ssid,pswd);Blinker.setTimezone(8.0);Blinker.run();;上述代碼使用Blinker.begin(auth,ssid,pswd)函數(shù)，傳入認證碼（auth）、Wi-Fi名稱（ssid）和密碼（pswd）參數(shù)來初始化與Blinker服務(wù)器的連接。這將設(shè)備與Blinker平臺進行綁定和連接。使用Blinker.setTimezone(8.0)函數(shù)設(shè)置設(shè)備的時區(qū)為東八區(qū)（北京時間），以確保設(shè)備與服務(wù)器的時間同步。最后，調(diào)用Blinker.run()函數(shù)啟動Blinker的運行時，使設(shè)備能夠與Blinker平臺進行數(shù)據(jù)交換和通信。4.3.2心率傳感器代碼設(shè)計設(shè)計讀取心率傳感器數(shù)據(jù)讀取代碼如下：MAX30102_get(&HR,&SPO2);//獲取溫度數(shù)據(jù)上述函數(shù)MAX30102_get(&HR,&SPO2)用來從MAX30102模塊中讀取心率（HR）和血氧飽和度（SPO2）。這個函數(shù)在MAX30102.c文件中定義，包含了與MAX30102模塊通信的復雜邏輯。由于代碼量較大，由于該函數(shù)過大，不在這進行展示，具體步驟描述如下：（1）初始化：首先，函數(shù)會進行必要的初始化步驟，包括配置I2C或SPI接口（取決于STM32與MAX30102之間的通信方式），以及設(shè)置MAX30102的工作模式和參數(shù)。（2）數(shù)據(jù)讀?。撼跏蓟瓿珊螅瘮?shù)會發(fā)送命令到MAX30102以讀取原始數(shù)據(jù)。這通常涉及發(fā)送特定的寄存器地址，并接收對應(yīng)的數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)處理：讀取到的原始數(shù)據(jù)需要被轉(zhuǎn)換成有意義的心率和血氧飽和度值。這通常涉及濾波、算法處理和校準步驟，以確保讀數(shù)的準確性。（4）結(jié)果返回：處理后的心率和血氧飽和度值通過函數(shù)參數(shù)返回給調(diào)用者。4.3.3溫濕度傳感器代碼設(shè)計STM32的DHT11溫濕度讀取代碼是基于STM32微控制器與DHT11溫濕度傳感器的通信協(xié)議來實現(xiàn)的。DHT11是一個常用的數(shù)字溫濕度傳感器，通過單總線與微控制器進行通信，具體讀取溫濕度感器數(shù)據(jù)信號代碼設(shè)計如下：DHT11_Read_Data(&Tempture_value,&Humi_value);//讀取溫濕讀數(shù)據(jù)u8DHT11_Read_Data(u8*temp,u8*humi){u8buf[5];//定義一個長度為5的數(shù)組，用于存儲從DHT11讀取的原始數(shù)據(jù)u8i;//循環(huán)計數(shù)器DHT11_Rst();//檢查DHT11傳感器是否響應(yīng)if(DHT11_Check()==0){for(i=0;i<5;i++)//讀取40位數(shù)據(jù){buf[i]=DHT11_Read_Byte();//調(diào)用函數(shù)讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)}//校驗讀取的數(shù)據(jù)是否正確if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4]){//校驗正確，將濕度值存儲在humi指針指向的位置*humi=buf[0];//將溫度值（注意：這里假設(shè)buf[2]是溫度值，具體取決于DHT11的數(shù)據(jù)格式）存儲在temp指針指向的位置*temp=buf[2];}}else{return1;//如果DHT11沒有響應(yīng)，則返回1表示讀取失敗}return0; //如果一切正常，返回0表示讀取成功}；4.3.4光敏傳感器代碼設(shè)計使用的光敏傳感器模塊更具環(huán)境亮度輸出模擬信號，因此采用PA0引腳進行模擬信號采集，再講模擬信號轉(zhuǎn)化為亮度數(shù)據(jù)，具體代碼實現(xiàn)如下：Adc_Init();//ADC讀取數(shù)據(jù)初始化Light_value=100-ADC_ConvertedValue[0]/40.96;//設(shè)置模擬輸入引腳為A0，亮度STM32通過初始化ADC模塊讀取PA0引腳上的光敏傳感器數(shù)據(jù)。ADC原始數(shù)據(jù)經(jīng)過縮放因子處理后，轉(zhuǎn)換為實際的亮度值Light_value。4.3.5超聲波傳感器代碼設(shè)計設(shè)計超聲波傳感器代碼如下：voidchaoshengbo_GetDate(void){//拉高信號，作為觸發(fā)信號PBout(0)=1;//發(fā)送觸發(fā)信號到超聲波傳感器delay_us(20);//高電平信號持續(xù)時間超過10usPBout(0)=0;//結(jié)束觸發(fā)信號while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_1)==RESET);//等待超聲波傳感器的回聲信號//響應(yīng)信號到來，啟動定時器計數(shù)TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);//開啟TIM1定時器//檢查響應(yīng)信號是否丟失，并且定時器計數(shù)未超過預設(shè)值while((GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_1)==SET)&&(TIM1->CNT<TIM1->ARR-10));//關(guān)閉定時器TIM_Cmd(TIM1,DISABLE);//關(guān)閉TIM1定時器//通過響應(yīng)信號計算距離distance=TIM1->CNT/0.58;//計算距離，這里假設(shè)每計數(shù)單位對應(yīng)0.58cm//清零TIM1計數(shù)器的值TIM1->CNT=0;//清除TIM1計數(shù)器的計數(shù)};首先發(fā)送一個觸發(fā)信號給超聲波傳感器，然后等待傳感器的回聲信號，通過定時器計算回聲信號的時間來推算距離。之后，根據(jù)計算出的距離值來判斷是否報警。4.4各執(zhí)行模塊代碼設(shè)計4.4.1蜂鳴器報警代碼設(shè)計本文使用的蜂鳴器驅(qū)動電壓為3.3V，控制器輸出信號高電平正好為3.3V，因此不需要額外的驅(qū)動模塊即可讓蜂鳴器正常工作，具體開啟和關(guān)閉蜂鳴器代碼如下，根據(jù)計算出的距離distance和心率HR來觸發(fā)或關(guān)閉一個報警功能。//根據(jù)計算出的距離進行判斷if(distance>1||HR>120){//判斷距離，如果距離在1cm到15cm之間或這心率大于120，則報警if((distance<=15&&distance>1)||HR>120){BEEF=1;//蜂蜜器報警}else{BEEF=0;//否則關(guān)閉報警}};4.4.2LED燈代碼設(shè)計本文使用的LED發(fā)光二極管只需要輸出3.3V高電平就可以點亮，具體代碼設(shè)計如下。代碼首先判斷變量Light_value的值是否小于60。Light_value代表從光敏傳感器讀取的亮度值，當亮度低于60后將自動打開燈光，否則將自動熄滅燈光。if(Light_value<60) {LED1=1; } else{LED1=0;}4.4.3OLED顯示屏代碼設(shè)計本文使用OLED屏幕是四引腳IIC協(xié)議驅(qū)動顯示的屏幕，該顯示屏通過ESP8266來驅(qū)動顯示，利用#include<U8g2lib.h>庫來進行驅(qū)動顯示，具體實現(xiàn)如下：voidOLED_show1(){u8g2.clearBuffer();u8g2.firstPage();do{u8g2.drawFrame(107,1,18,11);u8g2.drawFrame(125,3,2,7);u8g2.drawTriangle(109,3,116,10,116,6);u8g2.drawTriangle(116,3,122,10,116,7);////WIFI圖標u8g2.drawXBM(0,0,13,11,bitmap1);u8g2.setFont(u8g2_font_wqy14_t_gb2312);u8g2.setCursor(0,29);u8g2.print(String("溫度:")+String(int(Tempture_value)));u8g2.setCursor(70,29);u8g2.print(String("濕度:")+String(int(Humi_value)));u8g2.setCursor(0,47);u8g2.print(String("亮度:")+String(int(light_value)));u8g2.setCursor(70,47);u8g2.print(String("心跳:")+String(int(HR_value)));u8g2.setCursor(0,62);u8g2.print(String(Blinker.year())+String("-")+String(Blinker.month())+String("-")+String(Blinker.mday()));u8g2.setCursor(70,62);u8g2.print(String(Blinker.hour())+String(":")+String(Blinker.minute())+String(":")+String(Blinker.second()));}while(u8g2.nextPage());}這段代碼實現(xiàn)了在OLED顯示器上顯示日期、時間、溫度、濕度、亮度、心跳等信息，并繪制了電量和WIFI圖標。通過設(shè)置字體、光標位置和打印相關(guān)信息，實現(xiàn)了在OLED顯示器上的信息展示。4.5手機APP軟件設(shè)計基于點燈科技云平臺，設(shè)計手機物聯(lián)網(wǎng)上位機APP，設(shè)計過程與阿里云、百度云上的APP設(shè)計過程極為類似，通過相應(yīng)功能的拖拽即可完成，由于圖豎向排版會占用很大空間，因此橫向排放如下圖13所示為app設(shè)計初始階段，可通過最下方的功能模塊進行拖拽，同時將模塊對應(yīng)上ESP8266中所設(shè)計的參數(shù)接口，即可方便獲取點燈科技云端的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由ESP8266通過遠程網(wǎng)絡(luò)上傳至點燈科技云端的。圖13app設(shè)計初始階段APP的設(shè)計最終如下圖14所示，首先在用戶界面端查看溫濕度，心率和亮度等數(shù)據(jù)，對于有提示數(shù)據(jù)是否正常，接著在下方繪制相應(yīng)數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)曲線。圖14app設(shè)計完成

5系統(tǒng)功能測試5.1實物制作完成上電啟動測試基于上述模塊及硬件元器件，根據(jù)原理圖進行相關(guān)線路焊接，得到如下圖15所示的實物系統(tǒng)，右圖中可知，系統(tǒng)包括有ESP8266、蜂鳴器、超聲波模塊、OLED顯示屏、心率傳感器、光敏傳感器、LED燈等。系統(tǒng)上電后，顯示屏正常顯示，說明實物焊接無誤，接下來將對系統(tǒng)各功能進行實驗測試。圖15實物未上電（左圖），上電效果（右圖）5.2溫濕度、亮度、心跳采集功能測試系統(tǒng)設(shè)備上電啟動并連接上網(wǎng)絡(luò)后，按照代碼設(shè)計邏輯，系統(tǒng)將自動檢測環(huán)境溫濕度和亮度，并將檢測到的數(shù)據(jù)顯示在OLED顯示屏上和手機APP上，通過實驗測試得到如下圖16所示的效果。圖16黑暗環(huán)境（左）較亮環(huán)境（右）效果上述實驗可以得知，系統(tǒng)可以檢測得到環(huán)境溫濕度和環(huán)境亮度數(shù)，驗證了數(shù)據(jù)監(jiān)測及顯示成功。5.3自動開關(guān)照明功能測試利用超聲波測距，將靠近障礙物時進行報警提示用戶注意安全，實驗進行距離障礙物較遠和較近進行實驗測試，得到如下測試結(jié)果?？芍谑謾C閃光燈照射下到環(huán)境亮度在96%左右，系統(tǒng)自動關(guān)閉燈光，當亮度在61%左右時，系統(tǒng)自動開燈如右圖所示，同時手機端提示亮度偏低并開啟燈光，如下圖17所示：圖17紅自動開關(guān)照明功能測試5.4心跳報警功能測試為了測試心跳報警功能，將閾值設(shè)置為100次/分鐘，高于閾值將提示心跳偏高，同時開啟蜂鳴器提示報警，得到如下測試結(jié)果。其中左圖得到當心跳在117次/分鐘時開啟報警，手機端也提示心跳偏高。右圖中心跳在90左右時系統(tǒng)提示正常，如下圖18所示。驗證了心跳檢測并報警提示的可行性。圖18心跳報警功能測試6總結(jié)與展望6.1總結(jié)隨著科技的飛速發(fā)展，智能化設(shè)備在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。智能頭盔作為一種新型可穿戴設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文基于STM32微控制器設(shè)計了一款智能頭盔系統(tǒng)，通過系統(tǒng)方案設(shè)計、電路設(shè)計、軟件代碼設(shè)計以及硬件實物制作與測試等多個環(huán)節(jié)，驗證了系統(tǒng)的可行性。在系統(tǒng)方案設(shè)計階段，我們首先對智能頭盔的功能需求進行了深入的分析，確定了系統(tǒng)的基本架構(gòu)和模塊組成。通過合理的模塊劃分和接口設(shè)計，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性。同時，我們還考慮了系統(tǒng)的功耗、成本以及用戶體驗等因素，力求在滿足功能需求的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。在電路設(shè)計環(huán)節(jié)，我們根據(jù)系統(tǒng)方案的要求，選用了適合的STM32微控制器，并設(shè)計了相應(yīng)的外圍電路。通過精心設(shè)計的電源電路、信號采集電路、通信電路等，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)的準確傳輸。此外，我們還注重電路的可靠性和抗干擾性，采用了多種保護措施，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。軟件代碼設(shè)計是智能頭盔系統(tǒng)的核心部分。我們根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，編寫了相應(yīng)的控制程序。通過合理的程序結(jié)構(gòu)和算法設(shè)計，實現(xiàn)了對傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，以及對執(zhí)行機構(gòu)的控制。同時，我們還考慮了軟件的可維護性和可移植性，采用了模塊化的編程方式，提高了代碼的復用性和可讀性。在硬件實物制作與測試階段，我們按照電路設(shè)計和軟件代碼設(shè)計的要求，制作了智能頭盔的硬件實物。通過對實物的測試和分析，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠準確地采集和處理傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了預期的功能。同時，我們還對系統(tǒng)的性能進行了評估和優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。通過本次基于STM32的智能頭盔系統(tǒng)設(shè)計，我們成功地驗證了系統(tǒng)的可行性。該系統(tǒng)不僅具有較高的實用性和可靠性，還具有廣闊的應(yīng)用前景。6.2展望展望未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的深入發(fā)展，智能頭盔將會融入更多創(chuàng)新元素，實現(xiàn)更加智能化的功能。首先，在交互方式上，智能頭盔有望支持更加自然的語音控制和手勢識別，讓用戶無需額外操作即可輕松掌控。其次，在應(yīng)用領(lǐng)域上，智能頭盔將進一步拓展至工業(yè)、醫(yī)療