基于單片機(jī)的智能手環(huán)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例第1章系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)智能手環(huán)系統(tǒng)的框圖如圖2-1所示。電源電路電源電路MCUMCU單片機(jī)最小系統(tǒng)電路LCD1602顯示電路溫度采集電路LCD1602顯示電路溫度采集電路LED指示燈ADXL345監(jiān)測(cè)電路LED指示燈ADXL345監(jiān)測(cè)電路藍(lán)牙模塊電路心率采集轉(zhuǎn)換電路藍(lán)牙模塊電路心率采集轉(zhuǎn)換電路圖2-1系統(tǒng)框圖1.2單片機(jī)芯片的選擇本文選擇了由世界上最大的半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6單片機(jī)作為智能手環(huán)的控制芯片。STM32系列處理器基于ARM的Cortex-M3內(nèi)核，支持單片機(jī)的實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器。采用最新的高級(jí)硬件架構(gòu),Cortex-M3核心即可提供卓越的智能實(shí)時(shí)計(jì)算性能、良好的智能功率管理控制、卓越的性能創(chuàng)新外圍設(shè)備、最大限度的系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)上的便利性。[1]1.3顯示方案的選擇方案一采用LED，LED數(shù)碼管價(jià)格合理，非常適合顯示動(dòng)態(tài)數(shù)字，占用單片機(jī)端口少、電路簡(jiǎn)單性價(jià)比更高。然而，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)顯示的數(shù)據(jù)較多，所以數(shù)碼管不符合要求。方案二采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管，它由八行八列的發(fā)光二極管組成，但是點(diǎn)陣式數(shù)碼管更適合顯示文字，顯示數(shù)字過于浪費(fèi)，性價(jià)比低，所以不符合要求。

方案三使用LCD液晶顯示器，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，適用于顯示多種圖形、文字、數(shù)據(jù)，可以顯示更多，更加清晰、多樣、美觀；同時(shí)，LCD程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，耗電小，壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格實(shí)惠，性價(jià)比高，適合本設(shè)計(jì)。綜上所述故選擇方案三。1.4傾角傳感器的選擇方案一采用陀螺儀來檢測(cè)位置信息。它的工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)物體的動(dòng)量來確定儀器的靈敏度，這決定了一個(gè)或兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸的角度運(yùn)動(dòng)，即物體相對(duì)慣性空間中的垂直旋轉(zhuǎn)軸。陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)是精度高，陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)是精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，但是控制復(fù)雜，所以并不適合。方案二用ADXL345傾角傳感器來檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)。ADI公司生產(chǎn)的這款傳感器擁有大量的寄存器和一個(gè)32層的FIFO數(shù)據(jù)緩存緩沖區(qū)，這減少了處理器的負(fù)載，并且容易以低成本進(jìn)行控制。日常生活中的許多移動(dòng)設(shè)備都使用了這種傳感器，如移動(dòng)電話、定位設(shè)備、微導(dǎo)航設(shè)備、運(yùn)動(dòng)設(shè)備和數(shù)碼相機(jī)。故選擇方案二。1.5心率監(jiān)測(cè)模塊選擇方案一采用壓力傳感器來采集心率信號(hào)，但是壓力心率傳感器系統(tǒng)傳出的測(cè)量電信號(hào)比較微弱,測(cè)量操作難度大,且容易出現(xiàn)受到外界條件干擾，會(huì)使監(jiān)測(cè)難度增加。會(huì)使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度變低。方案二選擇紅外模塊來采集心率信號(hào)，紅外模塊測(cè)量后得到的心率波形比較穩(wěn)定，波形也很好，紅外心率監(jiān)測(cè)信號(hào)波形抗干擾能力較強(qiáng)；相比之下是和更好的選擇。故選擇方案二。1.6藍(lán)牙模塊選擇藍(lán)牙通信模塊選擇了一個(gè)HC-05藍(lán)牙串口轉(zhuǎn)換器，通過連接到微控制器的串行端口，使微控制器通過HC-05與其他設(shè)備通信。模塊本身可以在主模式和從模式下運(yùn)行，并且可以用于各種應(yīng)用，例如智能家居應(yīng)用，遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用，機(jī)器人，監(jiān)控系統(tǒng)等。硬件電路2.1STM32單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)智能手環(huán)的整體電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示：圖3-1智能手環(huán)原理圖本設(shè)計(jì)選擇了STM32F103C8T6單片機(jī)作為核心，由意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的一種支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位微控制器。選擇這款智能芯片不僅僅簡(jiǎn)單是因?yàn)樗牡驮靸r(jià)成本,而是因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)這款智能手環(huán)所有功能的最大前提下,還可以用于其他更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此款控制芯片較為容易，應(yīng)用廣泛，具有很大的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)研究價(jià)值。STM32的主要優(yōu)點(diǎn)：1.使用ARM最新的、先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核1.優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能2.杰出的功耗控制4.出眾及創(chuàng)新的外設(shè)5.最大程度的集成整合STM32F103C8T6單片機(jī)核心板接口電路圖如圖3-2所示。圖3-2STM32單片機(jī)核心板接口原理圖2.2液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)LCD這種液晶數(shù)字顯示器主要有兩種顯示類型：一種是字段顯示，字段顯示的方式與LED的顯示模式相似，都是通過向相應(yīng)的引腳發(fā)送信號(hào)來顯示；第二種是字符顯示則是根據(jù)用戶需要，顯示基本的字符。本文采用了第二種字符顯示。本設(shè)計(jì)的顯示模塊選擇了LCD1602液晶顯示器，它最多可以顯示兩行16個(gè)中文字符。LCD1602主要技術(shù)參數(shù)如下：1.顯示容量為16×2個(gè)字符；1.芯片工作電壓為4.5～5.5V；2.工作電流為1.0mA（5.0V）；4.模塊最佳工作電壓為5.0V；5.字符尺寸為1.95×4.35（W×H）mm。LCD1602為標(biāo)準(zhǔn)的14腳，其接口引腳說明如下：第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高低電平時(shí)分別進(jìn)行讀、寫操作；當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址；當(dāng)RS為低、RW為高時(shí)可以讀忙信號(hào)；當(dāng)RS為高、RW為低時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊開始執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向串口數(shù)據(jù)線。第15～16腳：空腳控制指令說明LCD1602液晶的讀寫、屏幕、光標(biāo)的操作都是通過編程指令來實(shí)現(xiàn)的。（1為高電平、0為低電平），LCD1602液晶模塊內(nèi)部的控制器有11條控制指令，如表2.1所示：表2.1控制命令表序號(hào)指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRA或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容系統(tǒng)中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。在本電路中電位器可以調(diào)節(jié)液晶顯示的對(duì)比度也就是清晰度。其具體電路原理圖如圖3-3所示。圖3-3LCD1602液晶顯示電路原理圖2.3傾角傳感器模塊電路設(shè)計(jì)本文選擇了小而輕薄的ADXL345傾斜傳感器來進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。它的分辨率為13位，3軸加速器，而且功率超低，測(cè)量范圍為±16g。數(shù)字輸出采用16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI（3線或4線）或I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它最小可以測(cè)量到低于1.0°的傾角變化。并且這款傳感器還具有許多種特殊的檢測(cè)功能。例如，自由落體檢測(cè)功能可以檢測(cè)儀器是否正在掉落；活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)是否發(fā)生；敲擊檢測(cè)可以檢測(cè)任何方向的單振動(dòng)和雙振動(dòng)；這些功能都可以單獨(dú)映射到兩個(gè)中斷輸出引腳之一。32級(jí)的先進(jìn)先出緩沖器（FIFO），可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以最小化主機(jī)處理器的負(fù)載，并減少系統(tǒng)的總功耗。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，能夠檢測(cè)閾值和運(yùn)動(dòng)加速度，以低功耗加速運(yùn)動(dòng)。ADXL345模塊接口圖如圖3-4所示。ADXL345模塊內(nèi)部電路圖如圖3-5所示。圖3-4傾角傳感器電路原理圖圖3-5ADXL345模塊電路圖U2即為穩(wěn)壓芯片，實(shí)現(xiàn)5V直流電轉(zhuǎn)化為2.3V直流電，C1-C4為濾波電容。R2、R3為上拉電阻，讓信號(hào)輸入更加穩(wěn)定。D1為電源指示燈，R1為限流電阻，來保護(hù)LED燈D1。2.4脈搏心率傳感器模塊電路設(shè)計(jì)關(guān)于心率模塊，本文選擇了PulseSensor心率傳感器，它是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器。將該傳感器佩戴在手指和耳垂上后，就可以將脈博信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。使用時(shí)把手指輕輕放在脈搏傳感器或儀表盤，當(dāng)人的脈搏快速跳動(dòng)時(shí),指尖或耳垂的透光性會(huì)發(fā)生變化，動(dòng)脈血管血容量發(fā)生周期性變化，傳感器會(huì)捕捉到這種變化，然后對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值，從而計(jì)算出脈搏心率。[2]同時(shí)，LED燈會(huì)隨著心跳頻率閃爍。接口說明1.+外接5V1.-外接GND2.S輸出接口（0和1）Pulsesensor脈搏心率傳感器原理圖如圖3-6所示。圖3-6脈搏心率傳感器接口原理圖由于Pulsesensor傳感器輸出的信號(hào)波形不方便單片機(jī)采集，所以又添加了LM393比較器將波形重新濾波一下，這樣輸出的波形就會(huì)轉(zhuǎn)換成方便單片機(jī)監(jiān)測(cè)采集的方波信號(hào)，增加了比較器以后信號(hào)的監(jiān)測(cè)也更穩(wěn)定。LM393比較器模塊具體原理圖如圖3-7所示。R1為分壓電阻，將比較模塊中監(jiān)測(cè)到的模擬信息被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。與連接到LM393比較芯片第二引腳的電位器的模擬電壓相比，可以得到數(shù)字信號(hào)。R2和R3是限流電阻，以保護(hù)LED燈泡，防止LED燈泡燒壞，LED燈在低電平下是有效的。R4是一個(gè)上拉電阻，將不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻鉗位在高電平，還可以起到限流作用，使電平信號(hào)讀取更穩(wěn)定。C1和C2是濾波電容,C1過濾電源并且讓電源輸更穩(wěn)定。C2電容對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，保證模擬信號(hào)輸出的穩(wěn)定性。圖3-7LM393比較器原理圖2.5溫度傳感器模塊電路設(shè)計(jì)DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程92.75ms和750ms內(nèi)完成9～12位的數(shù)字量，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭胄畔H需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。[3]DS18B20技術(shù)參數(shù)1.單線接口方式，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊。1.溫度檢測(cè)范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃時(shí)精度為±0.5℃，誤差為1℃。2.支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯—的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫，但需要注意的是不可以超過規(guī)定數(shù)量，超量會(huì)使供電電源電壓過低，造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。4.工作電源：2.0~5.5V/DC5.使用中不需要任何外圍元件。6.電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。7.3DS18B20遵循單總線協(xié)議，每次測(cè)溫時(shí)必須有初始化、傳送ROM命令、傳送RAM命令、數(shù)據(jù)交換等4個(gè)過程。DS18B20一般有2種。第1種是直接是裸露的芯片，主要用于空氣溫度檢測(cè)。第2種是防水的不銹鋼鋼管封裝，一般用于水溫?zé)粢后w溫度檢測(cè)?？梢愿鶕?jù)使用環(huán)境隨意選擇。在這里我們選擇了裸露型的。第一種裸露型如圖3-9所示：圖3-9DS18B20傳感器實(shí)物圖（裸露）第二種防水型如圖3-10所示：圖3-10DS18B20傳感器實(shí)物圖（防水）DS18B20溫度傳感器原理圖如圖3-11。其中R1為上拉電阻，可以保證DS18B20傳感器數(shù)據(jù)讀取更穩(wěn)定。圖3-11DS18B20溫度傳感器原理圖DS18B20溫度傳感器PCB封裝圖如圖3-12：圖3-12DS18B20溫度傳感器PCB封裝2.6藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)本文所采用的無線數(shù)據(jù)通訊模塊選擇了基于BluetoothSpecificationV1.0帶有EDR的藍(lán)牙通信協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊HC-05藍(lán)牙通信模塊,這種嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊（簡(jiǎn)稱藍(lán)牙模塊）具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動(dòng)連接工作模式。在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸。主模式：該模塊可以主動(dòng)搜索并連接其它藍(lán)牙模塊并接收發(fā)送數(shù)據(jù)。從模式：只能被搜索被其它藍(lán)牙模塊連接進(jìn)行接收發(fā)送數(shù)據(jù)。回環(huán)：藍(lán)牙模塊就是將接收的數(shù)據(jù)原樣返回給遠(yuǎn)程的主設(shè)備。[4]無