單片機心率體溫報警系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23875單片機心率體溫報警系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例 1308721硬件電路系統(tǒng) 19851.1STM32F103C8T6的介紹 1137001.2PulseSensor心率傳感器介紹 393901.3顯示電路 539381.4報警電路 662991.5體溫檢測DS18B20 728491.6藍牙模塊HC-05 926672軟件設(shè)計部分 9173242.1主程序流程 9326382.2心率流程圖 10118982.3溫度傳感器流程圖 11283172.4顯示程序流程 12106502.5LCD1602程序流程圖 1277802.6HC-05藍牙通信子程序 13181673設(shè)計結(jié)果 141硬件電路系統(tǒng)1.1STM32F103C8T6的介紹單片機是一種小型集成電路芯片，是將用來處理數(shù)據(jù)的CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM和多種輸入輸出口、定時器、計數(shù)器等功能電路集成到一塊硅片上組成一個非常小卻很完善的微型計算機。STM32F103C8T6則是一個非常簡便易于使用的單片機，它對電壓的要求低，但是處理的性能和速度卻十分不錯。其中STM32單片機相較于51單片機來說，有著強大的通信能力和控制能力，不管在功能和速度方面都遠遠超過了51單片機。在現(xiàn)在的生活中單片機的應(yīng)用越來越廣泛，在醫(yī)療方面也是大有用處。因為隨著時代的不斷進步，單片機的外觀，體積都有了很大的變化，隨之而來的出現(xiàn)了很多種類的單片機樣式。STM32F103C8T6原理圖如圖2所示。圖2STM32F103C8T6原理圖STM32所包含的特點:STM32F103C8T6是一款32位的微型控制器。其程序存儲器FLASH容量是64KB(64Kx8bit)，RAM容量是20KB(20Kx8bit)，2個12bitADC合計12路通道，37個通用I/O口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4個16bit定時器。他的工作電壓是2-1.6V，正常工作溫度范圍是-40-85℃，系統(tǒng)時鐘最高可到72MHz。STM32實物圖如圖3所示。圖3STM32F103C8T6實物圖其中當單片機正常工作時，電源指示燈正常發(fā)光（通常為紅色）。當單片機出現(xiàn)故障或者時不能正常運行時，指示燈會發(fā)生閃爍、變暗等其他現(xiàn)象，從而讓使用者知道單片機的運行情況。1.2PulseSensor心率傳感器介紹PulseSensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，可將其佩戴于手指或者耳垂等處，可將采集到的模擬信號通過導(dǎo)線傳輸給單片機轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，再通過單片機的處理來得到計算后的心率值。心率傳感器實物如圖4所示。圖4心率傳感器從心電信號中提取、從測量血壓時壓力傳感器測到的波動來計算和光電容積法三種是傳統(tǒng)的測量脈搏的方法。前兩種方法長時間對病人使用，可能會給人帶來不適感，并且病人無法隨意移動，對病人形成了一定的限制。而光電容積法脈搏測量則是簡單、方便、可靠的監(jiān)護測量方法。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指或耳垂.上。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長(500nm^700nm)的發(fā)光二極管。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。根據(jù)相關(guān)文獻和實驗結(jié)果，560nm的波可以反映皮膚淺部微動脈信息，適合用來提取脈搏信號。該傳感器采用了峰值波長為515nm的綠光LED，型號為AM2520，而光接收器采用了APDS--9008，這是一款環(huán)境光感受器，感受峰值波長為565nm，兩者的峰值波長相近，靈敏度較高。此外，由于脈搏信號的頻帶一般在0.05^200Hz之間，信號幅度均很小，一般在亳伏級水平，容易受到各種信號干擾。在感受器后面使用了低通濾波器和由運放MCP6001構(gòu)成的放大器，將信號放大了331倍，同時采用分壓電阻設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的1/2，使放大后的信號可以很好地被單片機的AD采集到。心率傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5心率傳感器結(jié)構(gòu)圖其中光感受器采用的是圖6所示的APDS-9008光電傳感器。APDS-9008是一款低成本的模擬輸出環(huán)境光光電傳感器，采用微型chipLED無鉛表面貼裝封裝。它由適合光譜的光電傳感器組成，該傳感器提供出色的響應(yīng)度，接近人眼的響應(yīng)。APDS-9008非常適合用于測量環(huán)境光的應(yīng)用?？刂骑@示器的背光。從顯示器背光照明中汲取大電流的移動設(shè)備（如手機和PDA）將通過將這些光電傳感器產(chǎn)品整合到其設(shè)計中而受益，因為它們可顯著降低功耗。圖6APDS-9008光電傳感器放大電路采用的是MCP6001低功率運算放大器。MicrochipTechnologyInc.的MCP6001/2/4系列運算放大器是專門為各種通用應(yīng)用設(shè)計的。這一系列器件具有1MHz增益帶寬積(GainBandwidthProduct,GBWP)和90°相位容限(典型值)。在500pF的容性負載下，它也同樣具有45°相位容限(典型值)。即使單電源供電電壓只有1.8V,這個系列的運算放大器仍可工作，此時靜態(tài)電流為100μA(典型值)。此外，MCP6001/2/4支持軌到軌輸入輸出，它的共模輸入電壓范圍為Vpp+300mV到Vss-300mV。這個系列的運算放大器在設(shè)計中采用了Microchip先進的CMOS工藝。MCP6001/2/4系列提供了工業(yè)級和擴展級的溫度范圍。電源供電范圍為1.8V到5.5V。圖7MCP6001低功率運算放大器1.3顯示電路顯示器元部件一般主要配備有小型LCD1602液晶數(shù)字顯示(LED)和大型LCD1602液晶顯示(LCD)兩種。LCD1602液晶顯示器通常使用的是字符型液晶顯示模塊。它是以字符型LCD、HD44780、HD44100以及一些電阻、電容裝配到PCB板上而構(gòu)成的。本次設(shè)計中所需要的只是實時顯示所測量計算到的數(shù)據(jù)，如體溫和心率。因此不需要其他特殊的功能，所以本次設(shè)計選擇了廉價方便的LCD1602液晶顯示器?？紤]到我們需要同時自動顯示的兩個主要數(shù)據(jù)是大氣溫度和相對濕度,因此只是需要一臺可以同時自動顯示1-2行的數(shù)字顯示裝置。除此之外還選用了LCD1602液晶電視顯示器。它主要采用了一款新式具有顯著工業(yè)設(shè)計特征的彩色字符型顯示液晶,兩行文字可同時顯示，每行約每秒可同時顯示16至8個字符，文本數(shù)或幾個6位數(shù)，這足以滿足工業(yè)設(shè)計者的需求。其消耗的功率低，外形輕薄小巧，并且顯示效果非常不錯，是一個可以滿足大多顯示目的的小型電子信號顯示器。液晶1602采用的是標準的16腳接口，其引腳說明見表1。表1LCD1602引腳功能引腳號引腳名稱引腳功能1VSS電源地2VDD電源正極3VL液晶顯示偏壓4RS數(shù)據(jù)/命令選擇5RW讀/寫選擇6E使能信號7~14D0~D7雙向數(shù)據(jù)端口15BLA背光源正極16BLK背光源負極LCD1602工作在1.5V~5V的正常工作電壓下,它內(nèi)部還安裝了具有自動復(fù)位的電路,能夠?qū)鈽宿D(zhuǎn)換、清幕等操作。所顯示出的亮度可由外部聯(lián)絡(luò)的電位計來調(diào)整。內(nèi)部附加了一個存儲單元,用于保護和管理數(shù)據(jù)。它是一種可以直接和單片機互聯(lián)網(wǎng)連接的顯示器,通過單片機編程來實現(xiàn)對液晶信號的控制。LCD工作狀態(tài)介紹如圖7所示。圖7LCD工作狀態(tài)介紹1.4報警電路本次測試設(shè)計的自動脈搏報警信號檢測報警軟件控制電路基本結(jié)構(gòu)如軟件圖7所示。報警電路的設(shè)計比較簡潔，三極管的地和蜂鳴器的正極相連接，當單片機輸入一個低電平時，蜂鳴器和LED并聯(lián)使得蜂鳴器發(fā)出警報聲、LED亮起。在進行脈搏檢測時，如果檢測到脈搏報警信號參數(shù)不正常，則系統(tǒng)可自動給出脈搏報警信號，在控制軟件中可看到設(shè)置正常時脈搏報警信號參數(shù)范圍為60-120，超出此中斷范圍時，將自動停止開啟中斷計時器的高頻中斷，自動產(chǎn)生某一特定中斷頻率的高速矩形超聲波，使蜂鳴器發(fā)出警報聲提醒用戶。圖7報警電路1.5體溫檢測DS18B20DS18B20特別適用于單總線控制技術(shù)。其主要的關(guān)鍵技術(shù)功能性質(zhì)詳細介紹如下為:①這可能是儀器所特有的單線輸出接口方式，也許這就意味著，在微處理器與其他電子設(shè)備之間的單線接口時，至少要有一個I/O輸出端口占用1位的寬度;②因為支持多個節(jié)點，所以其系統(tǒng)在電路設(shè)計和軟件設(shè)計方面都得到了優(yōu)化。③在檢測溫度時不用其他元件:④在此基礎(chǔ)上，高頻用戶可通過一條高頻數(shù)據(jù)線同時直接工作，具有超低功耗的多種工作供電方式。⑤在9-12位的數(shù)字中，給定的實時溫度變化自動轉(zhuǎn)換輸入精度，可以直接將給定的溫度自動轉(zhuǎn)換值轉(zhuǎn)換為16位的二進制數(shù)字流或串行格式輸入。(1)DS18B20的結(jié)構(gòu)DS18B20的組成部分分為四個：①64位光刻ROM數(shù)據(jù)存儲器②溫度傳感器③TH和TL器件，可用于擦寫的非易失性控制電路中的溫控報警器觸發(fā)裝置④非易失性電可擦寫設(shè)置寄存器器件如圖8所示,每一個新的I/O接口必須能夠同時自動連接多個新的DS18B20器件，這主要歸功于單片機的多個接口。每片DS18B20包含獨立的64位數(shù)字ROM編碼。頭八位中所代表的指標是芯片產(chǎn)品設(shè)計分類中一系列的指標編碼,表示該系列產(chǎn)品的分類劃分排列順序;而緊接著的48位代表是一個唯一的芯片產(chǎn)品指標序列號,序列號編碼指的也就是一個15位的一個十進制指標編碼,每個用于產(chǎn)品設(shè)計芯片唯一的指標編碼都應(yīng)該可以由芯片程序員直接通過尋址將其進行辨認和信號識別顯示出來,最后8位中的指標序列號指的就是前56位的一個用于循環(huán)冗余(CRC)的檢查校驗碼,它指的是對于產(chǎn)品數(shù)據(jù)在國際網(wǎng)絡(luò)無線通信系統(tǒng)中的正確傳輸和進行數(shù)據(jù)處理是否正確等一種基本檢查校驗方法。所以多片機的DS18B20能夠與同一根線的數(shù)據(jù)線相互連接而且并沒有因此引起混亂。因此給對于檢測高溫的多處溫度測量點的工作人員提供了很大的便利。圖8DS18B20的結(jié)構(gòu)框圖(2)DS18B20的測溫原理DS18B20傳感器能感受到溫度對振蕩器頻率的影響，作為一種測溫方法，其原理見圖9。DS18B20具有兩種溫度系數(shù)，不同的低溫、高溫振蕩器。DS18B20具有高溫和低溫兩種不同的溫度系數(shù)。在對低溫系數(shù)振蕩器輸出脈沖計數(shù)之前，高溫計數(shù)振蕩器先開啟一段周期，然后用其數(shù)值來計算溫度。圖9DS18B20測溫原理1.6藍牙模塊HC-05HC-05藍牙模塊：（1）采用的時CRS芯片，藍牙V2.0；（2）輸入的電壓不允許超過7V，通常是1.6V-6V；（3）波特率為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200使用者可自行設(shè)置；（4）接同時指示燈閃爍，快速閃爍表示藍牙已連接，緩慢閃爍表示等待連接；（5）板材使用1.3V穩(wěn)壓片，輸入電壓DC1.6V-6V；若不進行配對，電流可達30mA左右（6）可以與擁有藍牙功能的手機端、電腦端等設(shè)備進行無縫連接。圖10HC-05藍牙原理圖2軟件設(shè)計部分2.1主程序流程系統(tǒng)的原理主程序控制一個新型單片化電機系統(tǒng)按照其自身預(yù)定的程序運算處理方式和操作程序運行,它本身就是一個新型單片化電機系統(tǒng)程序控制的理論基礎(chǔ)和技術(shù)框架。系統(tǒng)在百度高壓下進行上網(wǎng)供電后,對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了初始的優(yōu)化。初始化設(shè)計過程主要目的是為了完成針對一個單片上主機內(nèi)部的各種專用端口寄存器、定時器的多樣工作運行模式和所有端口上的工作運行狀態(tài)的只能選取。在外部系統(tǒng)程序開始自動化之后,進行系統(tǒng)定時器的啟動中斷、外部系統(tǒng)硬件的啟動中斷、顯示等中斷工作,硬件中斷可以使不同的外部系統(tǒng)同時控制不同的系統(tǒng)子程序。具體操作管理流程請參見軟件圖12。圖11主程序2.2心率流程圖當心律采集到當前的數(shù)據(jù)后，把模擬量傳輸給單片機AD引腳進行處理，進行初始化后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取當前心電值，本次設(shè)計選擇的A10，接著是讀數(shù)據(jù)，每字節(jié)8個比特，執(zhí)行1比特讀數(shù)據(jù)，將當前讀的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并轉(zhuǎn)換成當前電壓值。它的顯示程序流程圖見12。圖12心率流程圖2.3溫度傳感器流程圖開機開關(guān)電源，啟動工作時，溫度傳感器通過一定的檢中的溫度，按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電子信號或其他形式，以滿足設(shè)計要求。目前市面上的溫度傳感器一般都是測溫器。DS18B20將檢測到的信號用數(shù)字量的形式傳送給單片機，由單片機計算出此時的溫度，然后再顯示在LCD1602LCD上。圖13顯示了溫度檢測流程圖。圖13溫度檢測流程圖2.4顯示程序流程顯示器顯示出所測得得體溫和脈沖數(shù)。流程如圖14所示。圖14顯示程序流程圖2.5LCD1602程序流程圖在LCD1602LCD中，程序指令執(zhí)行前顯示模塊標記位的忙碌信號，僅在其繁忙標記位為低電平時時，才表示可執(zhí)行指令。在LCD1602顯示字符時，我們需要得到他的真實RAM地址。它有光標移動之類的11個控制指令。液晶顯示程序流程圖如圖15所示。圖15液晶顯示程序流程圖2.6HC-05藍牙通信子程序該設(shè)計采用HC-05藍牙模塊作為單片機與手機通訊的工具。在打開藍牙之后