基于單片機(jī)的智能手環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要如今社會(huì)，隨著人們生活水平日漸提高，可穿戴式智能設(shè)備也在人們的生活中占據(jù)了越來越重要的地位?，F(xiàn)今市面上有華為健康管理智能手環(huán)、小米智能手環(huán)、iWatch智能手表等，都是移動(dòng)式可穿戴電子設(shè)備的代表性產(chǎn)品。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低，體積較小，功能強(qiáng)大?？纱┐魇诫娮釉O(shè)備在人們生活中的重要性逐漸增加。隨著人民生活水平提高的同時(shí)，人們的需求也逐漸增加。某些智能手環(huán)以及智能手表，可以以藍(lán)牙為媒介，與手機(jī)APP相連，以獲取更多的數(shù)據(jù)與信息，來完成更多的動(dòng)能。因此，可穿戴智能設(shè)備方面具有重要的研究意義，由于相關(guān)技術(shù)還不是很成熟，開發(fā)成本較高，很多理想功能還未實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)備采用ST意法半導(dǎo)體公司研發(fā)的Cortex-M3的單片機(jī)為核心，選用128kflash的STM32F103C8T6芯片，以及加速度模塊、心率監(jiān)測(cè)模塊、鍵盤模塊，1602顯示模塊等組成實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可穿戴式設(shè)備。該產(chǎn)品初步實(shí)現(xiàn)了使用者計(jì)步，心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，顯示心率和步數(shù)等功能。關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；心率監(jiān)測(cè)；智能手環(huán)；目錄摘要 I第一章緒論 11.1選題意義 11.2課題的研究現(xiàn)狀 11.3本文內(nèi)容 2第二章總體方案設(shè)計(jì) 32.1設(shè)計(jì)功能要求 32.2元件選型 32.2.1心率傳感器的選型 32.2.2加速度傳感器的選型 52.2.3顯示器的選型 62.2.4主控制的選型 8第三章智能手環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 103.1總體硬件設(shè)計(jì) 103.2電源電路設(shè)計(jì) 103.3主控制器電路設(shè)計(jì) 113.3.1STM32F103C8T6芯片介紹 113.3.2STM32F103C8T6最小系統(tǒng) 123.4心率采集電路設(shè)計(jì) 133.5RTC時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 143.61602顯示電路 153.7ADXL345加速度傳感器電路設(shè)計(jì) 163.8鍵盤電路設(shè)計(jì) 17第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 184.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹 184.2軟件設(shè)計(jì)要求 184.3計(jì)步程序設(shè)計(jì) 204.4心率采集子程序設(shè)計(jì) 214.5本章小結(jié) 22第五章系統(tǒng)調(diào)試 235.1系統(tǒng)硬件調(diào)試 235.2軟件調(diào)試 245.3系統(tǒng)總體測(cè)試 24參考文獻(xiàn) 27第一章緒論1.1選題意義智能穿戴設(shè)備領(lǐng)域成為一個(gè)增長最快的電子產(chǎn)品領(lǐng)域，其實(shí)用性影響著人們生活各處。熱愛運(yùn)動(dòng)的人群對(duì)于運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，代替手表顯示時(shí)間、信息顯示提醒、來電提示、心率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、鬧鐘提醒、血氧、體溫等健康數(shù)據(jù)的顯示，并且在生活的其他方面，也有很大幫助，如出示付款碼，顯示使用者定位等。隨著智能設(shè)備的技術(shù)不斷提升，生活中的智能設(shè)備也隨處可見了。移動(dòng)智能手機(jī)、可穿戴式藍(lán)牙智能手環(huán)、平板電腦的大規(guī)模流行。從整體來看，近年來我國可穿戴式智能設(shè)備技術(shù)不斷創(chuàng)新提高，人均持有水平也在逐漸上漲。目前市場(chǎng)上的主流品牌有：小米、華為、fitbit、榮耀、樂心等主流品牌。智能穿戴設(shè)備在居民的日常生活中隨處可見，智能手環(huán)代替了傳統(tǒng)手表，不僅僅替換了傳統(tǒng)手表的時(shí)間顯示功能，更增加了鬧鐘提醒，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，身體健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)信息提醒等多種功能。還可以用藍(lán)牙和手機(jī)APP相連，實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)信息通訊，以獲得更多的數(shù)據(jù)支持。更加重要的是，智能可穿戴設(shè)備增加了定位功能，在預(yù)防老人和孩童走失方面。具有巨大作用。所以，開發(fā)出一款功能強(qiáng)大的智能便攜式設(shè)備是很有必要的。1.2課題的研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智能手機(jī)逐漸成為了人們生活的必需品，在后疫情時(shí)代尤為顯著，便捷式移動(dòng)支付、實(shí)時(shí)身體監(jiān)測(cè)等行為都需要智能設(shè)備的輔助。對(duì)于小孩和老人而言，手機(jī)功能較多，使用起來難度系數(shù)增大。為了更好的解決此類問題，滿足各類人群所需，在生活中設(shè)計(jì)一款高性能、智能化的便攜式移動(dòng)設(shè)備是很有必要的，以降低人們對(duì)手機(jī)的依賴。便攜式產(chǎn)品功能相對(duì)減少且更具有針對(duì)性，更加方便，實(shí)用。自手機(jī)發(fā)明以來，智能穿戴設(shè)備也進(jìn)入了智能發(fā)展的前列，從智能手表到屏幕更小的智能手環(huán)，再到沉浸式穿戴體驗(yàn)——VR設(shè)備，這些進(jìn)步都表明，人們的生活與智能化息息相關(guān)。日新月異的世界潮流之下，智能穿戴設(shè)備極大程度地提升了人們的生活幸福指數(shù)，它的便捷性逐漸受到重視，在通訊、醫(yī)療、身體指標(biāo)監(jiān)測(cè)等方面都起到了重要作用。智能手環(huán)是智能穿戴設(shè)備的代表，其主要功能是時(shí)間顯示、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，如顯示行走及跑步的步數(shù)、用時(shí)、速度、距離等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量身體數(shù)據(jù)，體溫，血氧，心率等?，F(xiàn)在人們?cè)絹碓疥P(guān)注自己的健康問題，智能手環(huán)設(shè)備對(duì)于每個(gè)人也是越來越重要。我國現(xiàn)階段智能穿戴設(shè)備主要產(chǎn)品有智能手表和智能手環(huán)等，應(yīng)用于日常鍛煉運(yùn)動(dòng)，健康醫(yī)療等方面。其次，不僅僅是針對(duì)年輕人，對(duì)于老年人來說，更為重要，對(duì)老年人的身體進(jìn)行健康數(shù)據(jù)的檢測(cè)，做老年人的安全衛(wèi)士才是一道更重要的保障。國內(nèi)在老年人可穿戴智能設(shè)備方面起步較晚，目前存在的問題還比較多，比如：電池續(xù)航能力較差，用戶依賴性弱，附加價(jià)值過低等等。因此，目前國內(nèi)對(duì)于智能可穿戴設(shè)備的研究更多仍然停留在理論層面上。國外的智能穿戴設(shè)備起步較早，功能也趨于成熟，在身體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)感知等方面，有著很強(qiáng)的實(shí)力。由于智能手環(huán)代替了傳統(tǒng)手表的功能，但時(shí)間顯示并非智能手環(huán)最主要的功能，智能手環(huán)的功能向即時(shí)通訊，運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示，身體健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等方面發(fā)展。在20世紀(jì)90年代，在歐洲的發(fā)達(dá)國家在面對(duì)老齡化與養(yǎng)老問題時(shí)，就將智能化技術(shù)引用到了老年人佩戴的智能設(shè)備中了。其目的不僅是要保護(hù)老年人安全的同時(shí)，緩解老年人情緒。國外對(duì)于老年人可穿戴智能設(shè)備的設(shè)計(jì)與發(fā)展趨向于成熟，不僅僅有實(shí)踐研究，對(duì)于可穿戴智能設(shè)備，在老年人佩戴設(shè)備領(lǐng)域的理論研究也有很高的建樹。1.3本文內(nèi)容本文主要描述基于STM32F103C8T6單片機(jī)的佩戴式智能手環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用了單片機(jī)、傳感器等，實(shí)現(xiàn)智能手環(huán)的時(shí)間顯示、鬧鐘提醒、心率監(jiān)測(cè)和步數(shù)記錄等功能。本文主要內(nèi)容共包括五個(gè)部分：第一章為緒論。通過對(duì)本課題的研究目的、選題意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀等內(nèi)容，對(duì)智能手環(huán)的功能研究及內(nèi)部數(shù)據(jù)發(fā)展等進(jìn)行整理，分析得出其系統(tǒng)的變化情況，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出滿足基本功能的智能穿戴設(shè)備。第二章為智能手環(huán)系統(tǒng)的基本原理概述，基于對(duì)現(xiàn)階段智能手環(huán)的技術(shù)原理及現(xiàn)狀研究，加深對(duì)其系統(tǒng)運(yùn)作原理的了解，進(jìn)而闡述如何利用新技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)其更多功能。第三章為智能手環(huán)系統(tǒng)中硬件部分的設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行電路圖的設(shè)計(jì)與繪制。研究過程中通過比較優(yōu)劣最終選擇合適類型的元器件，根據(jù)元件的基本參數(shù)等設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電路圖。第四章為智能手環(huán)系統(tǒng)中軟件部分的程序設(shè)計(jì)，參照設(shè)計(jì)好的電路圖進(jìn)行軟件程序部分的編程，這一部分需要繪制程序流程圖。之后利用本科所學(xué)C語言和單片機(jī)類知識(shí)，利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由單片機(jī)進(jìn)行處理并傳出顯示。第五章為智能手環(huán)的系統(tǒng)調(diào)試，通過電路分析及焊接硬件調(diào)試，總結(jié)調(diào)試過中出現(xiàn)的問題，以及對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行分析并進(jìn)一步完善系統(tǒng)。第二章總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)功能要求本論文主要闡述如何實(shí)現(xiàn)智能手環(huán)的主要功能：可長期穿戴和智能化的基本特性，能夠持續(xù)性的穿戴，并帶來增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的效果。能夠?qū)κ褂谜哌M(jìn)行心率檢測(cè)，反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為身體健康監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)保障；能夠記錄步數(shù)，顯示基本的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；具有顯示時(shí)間、鬧鐘定時(shí)提醒的功能，；具有通過按鍵實(shí)現(xiàn)調(diào)整的功能，能夠?qū)緮?shù)據(jù)（如時(shí)間）的顯示錯(cuò)誤及時(shí)進(jìn)行修正。整體系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)框圖2.2元件選型2.2.1心率傳感器的選型例一：pulsesensor心率傳感器，光電容積法是PulseSensor對(duì)于心率測(cè)量的主要原理。在醫(yī)療監(jiān)測(cè)體系中，光電容積法脈搏測(cè)量使用最為廣泛。其特點(diǎn)有簡(jiǎn)單、使用方法簡(jiǎn)單、結(jié)果可靠等。光電容積法的基本原理是用光源發(fā)出光線直接照射到人體，人體組織對(duì)光線產(chǎn)生透光率和反射率，而透光率與反射率會(huì)隨著血管搏動(dòng)而發(fā)生變化，根據(jù)其人體組織透光率的變化測(cè)算出心率值。光源和光電轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成了傳感器。光源選用要其光線在固定波段，其發(fā)出的光線波長一般在500nm到700nm之間，在這個(gè)波段的光線對(duì)血液中的血氧和血紅蛋白具有選擇作用。當(dāng)光束照射到人體血管時(shí)，由于動(dòng)脈搏動(dòng)，心臟泵血，導(dǎo)致血液中的血氧和血紅蛋白濃度發(fā)生變化，血管的透光率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)經(jīng)過血管反射后的特定波長的光線由傳感器內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換器接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行放大和輸出。如圖2-2為心率傳感器實(shí)物圖。圖2-2心率傳感器實(shí)物圖例二：光電式傳感器（photoelectrictransducer），光電傳感器作為主要元件出現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍陔娐分凶R(shí)別的電信號(hào)。光電傳感器可檢測(cè)的變量為任何因素變量，這些因素變量可引起光亮的變化。當(dāng)光電式傳感器在檢測(cè)心率時(shí)，先由光源照射在皮膚上，測(cè)量透射以及反射的光，由于血液中的血氧以及血紅蛋白會(huì)吸收特定的波長，該波長的光在每次心臟搏動(dòng)時(shí)會(huì)被大量吸收，由此可測(cè)量心率。但光電式傳感器也并不是那么完美，光電式傳感器的光學(xué)器件價(jià)格較為昂貴，并且對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求較高，限制條件較為明顯。如圖2-3為光電式傳感器實(shí)物圖。圖2-3光電式傳感器實(shí)物圖經(jīng)過對(duì)比，選擇例一中的pulsesensor心率傳感器更為合適，測(cè)量對(duì)象較為普遍。2.2.2加速度傳感器的選型例一：機(jī)械式振動(dòng)傳感器，該傳感器的工作步驟為將感受到的機(jī)械量，通過基本轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。振動(dòng)式傳感器的工作原理為正壓電效應(yīng)，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)特定的半導(dǎo)體材料沿受到外力發(fā)生彈性形變時(shí)，等量的極性相反的電荷會(huì)在該材料對(duì)應(yīng)相反的表面聚集，當(dāng)外力消失后，該材料又呈現(xiàn)不帶電的狀態(tài)。當(dāng)傳感器感受到外界振動(dòng)時(shí)（若振動(dòng)呈現(xiàn)周期性），壓電敏感元件表面的電荷也呈周期性變化，并且變化頻率與震動(dòng)頻率一致。傳感器會(huì)感受被測(cè)對(duì)象不同的運(yùn)動(dòng)方式，將被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)傳回主控制器。主控系統(tǒng)檢測(cè)之后，通過一些特定的程序算法最后得出被測(cè)物體的計(jì)步數(shù)據(jù)。該傳感器工作原理并不復(fù)雜，因此導(dǎo)致了測(cè)量精度較低的缺點(diǎn)，僅僅被用來測(cè)量振幅較大的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有一定的局限性。如圖2-4為機(jī)械式位移傳感器實(shí)物圖。圖2-4機(jī)械式位移傳感器實(shí)物圖例二：ADXL345加速度傳感器，三軸加速度傳感器按照測(cè)量范圍分類有四種，分別為±2g、±4g、±8g或±16g。三軸加速度傳感器在被測(cè)量的選擇上較為廣泛，不僅能感受到對(duì)象在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的變化，還能感受到爆炸沖擊引起的動(dòng)態(tài)加速度，更多的是可以測(cè)量如重力加速度之類的靜加速度。在ADXL345中集成了AD轉(zhuǎn)換器，因此在傳感器與主控制器的信息交流中，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳回主控制器，主控制器通過特定的算法計(jì)算后，得出使用者的步數(shù)信息。ADXL345與主控制器的通信是通過接收來自串口的讀寫命令實(shí)現(xiàn)的，其主要的操作對(duì)象為寄存器。如圖2-5為ADXL345加速度傳感器實(shí)物圖。圖2-5ADXL345加速度傳感器實(shí)物圖經(jīng)過對(duì)兩種傳感器的比較與考慮，選擇例二中的ADXL345加速度傳感器作為計(jì)步器使用。2.2.3顯示器的選型例一：OLED12864顯示器，這款顯示器自身可以發(fā)光，亮度，對(duì)比度高，耗能需求低，該顯示模塊是基于SSD1306芯片驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)通信采用I2C接口驅(qū)動(dòng)顯示，有著很好的顯示效果和便攜性。OLED采用有機(jī)發(fā)光二極管，光源特性較為輕柔。能耗需求低、發(fā)熱較少、無藍(lán)光危害、接近自然光。OLED顯色指數(shù)高，Ra≥90，能夠鮮明的還原事物原本的色彩。OLED液晶顯示屏還具有如下特點(diǎn)：1.主動(dòng)發(fā)光，可省略背光電源，體積小，功耗低；2.色彩再現(xiàn)性和色飽和度更高；3.低溫性能優(yōu)越；4.視角較寬，接近180度時(shí)色彩也不會(huì)失真；OLED顯示屏的缺點(diǎn)也較為明顯：1.壽命一般只有5000小時(shí)，對(duì)比于LED至少10000小時(shí)的壽命來說要短很多；2.只能作為小屏幕配置在便攜式數(shù)碼類產(chǎn)品上；如圖2-6為OLED12864顯示器實(shí)物圖。圖2-6OLED12864顯示器實(shí)物圖例二：液晶LCD1602顯示屏。液晶屬于高分子材料。1602液晶顯示屏單次可顯示兩行字符，每行字符可以顯示十六個(gè)。1602液晶顯示屏操作較為便捷，功耗需求低，整體體積小，工作溫度范圍一般為0度-55度。如圖2-7為1602顯示器實(shí)物圖。圖2-7LCD1602顯示器實(shí)物圖經(jīng)過對(duì)比兩款顯示屏可以得出結(jié)論，本次設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)于屏幕顯示要求較低，對(duì)顯示色彩并無要求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、易操作性等方面，例二中的1602液晶顯示器即可滿足要求。2.2.4主控制的選型例一：STM32F103系列微控制器。STM32F103C系列單片機(jī)可分為三大類，分類依據(jù)為片內(nèi)的Flash容量，小型（0K-32K）、中型(64K-128K)、大型(256K以上)。VBAT為RTC和后備寄存器供電。調(diào)試模式時(shí)采用串行調(diào)試（SWD）和(JTAG)接口。如圖2-8為STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板實(shí)物圖。圖2-8STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板實(shí)物圖例二：STC89C52RC單片機(jī)，=此系列單片機(jī)功耗需求較低、運(yùn)算速度較高、抗干擾能力強(qiáng)。根據(jù)工作電壓，可將單片機(jī)分為兩類，5V類型的單片機(jī)工作電壓為5.5V-3.3V，3V類型的單片機(jī)工作電壓為3.8V-2.0V。該芯片有8K字節(jié)的應(yīng)用程序空間為用戶提供，512字節(jié)的RAM集成在片上。如下圖2-9為STC89C52RC單片機(jī)實(shí)物圖。圖2-9STC89C52RC單片機(jī)實(shí)物圖例三：MSP430，該系列芯片為低功耗混合信號(hào)處理器，具有精簡(jiǎn)指令集。該類型單片機(jī)具有多種多樣的尋址方式。工作電壓為1.8V-3.6V，芯片運(yùn)行時(shí)電流最低可達(dá)到165μA，RAM保持模式下功耗最低。僅僅只有0.1μA。如圖2-10為MSP430單片機(jī)實(shí)物圖。圖2-10MSP430單片機(jī)實(shí)物圖通過對(duì)以上三種芯片的比較可知，例一中的STM32F103系列芯片能耗小，運(yùn)算速度高，芯片上資源可觀，完全滿足此次設(shè)計(jì)的需求。第三章智能手環(huán)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1總體硬件設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)能滿足上文中提到的所有要求，并且充分利用了各種元器件具備的特性，還考慮到穩(wěn)定性與性價(jià)比等多種因素的硬件方案。方案的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：在系統(tǒng)控制單元的選擇上我們使用STM32F103C8T6單片機(jī)，利用型號(hào)為ADXL3415的加速度傳感器讓手環(huán)能夠?qū)κ褂谜叩男凶卟綌?shù)進(jìn)行記錄，心率測(cè)量這個(gè)功能我們選擇使用PulseSensor心率傳感器來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對(duì)測(cè)量到的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算就使用存在于單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)最后計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示還需要通過1602顯示器才能完成。根據(jù)以上內(nèi)容我們可以發(fā)現(xiàn)整體硬件系統(tǒng)主要由STM32F103C單片機(jī)最小系統(tǒng)，心率傳感器，鍵盤模塊，1602顯示模塊，三軸加速度傳感器計(jì)步模塊構(gòu)成。下圖3-1就是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)構(gòu)成的示意圖。圖3-1系統(tǒng)硬件框圖3.2電源電路設(shè)計(jì) 在整體的設(shè)計(jì)中對(duì)電源的需求并不高，系統(tǒng)所需的供電要求通過四節(jié)1.5V干電池或USB5V就能進(jìn)行滿足。在我們的設(shè)計(jì)里選擇使用USB電源線進(jìn)行供電，下圖3-2是它的接口和開關(guān)控制的電路示意圖。圖中電源的插口就是P2，在2腳和3腳這兩處接地線，再把1腳和6腳進(jìn)行連接，電源能不能與VCC節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接開始供電是由開關(guān)進(jìn)行控制，一般情況下，在供電時(shí)VCC是固定為5V的。圖3-2電源接口及開關(guān)控制電路圖 我們?cè)陔娐防镞x擇DC插口來對(duì)供電功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，供電電源的電壓固定在5V，因?yàn)槲覀冊(cè)谙到y(tǒng)中使用的單片機(jī)的芯片電壓是3.3V，所以我們需要對(duì)電壓為5V的電源進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將電壓降低到3.3V，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。在我們的設(shè)計(jì)中選擇使用開發(fā)板里有ME6211-3.3V芯片存在的STM32最小系統(tǒng)開發(fā)板作為主控制器，下圖3-3中有詳細(xì)展示。ME6211-3.3V，輸入電壓為5V，經(jīng)過C7、C5濾波電容，輸入到1腳（VIN），地線接到2腳（VSS），這個(gè)芯片的使能腳就是3腳(CE)，在高電平的情況下也能發(fā)揮作用。由于整個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)這個(gè)芯片的開關(guān)控制沒有要求，我們將芯片接上電壓為5V置高電平讓其通電，它就能一直處于工作的狀態(tài)，5腳(OUT)的作用就是輸出3.3V，4腳(NC)進(jìn)行輸出之后還要通過C15然后到地線，接下來在穿過C6與C10濾波電容完成輸出過程。整個(gè)電路板處于通電狀態(tài)時(shí)，5V電壓在對(duì)其他外設(shè)與芯片進(jìn)行輸出時(shí)，受到ME6211-3.3V穩(wěn)壓芯片作用，經(jīng)過輸出引腳輸出電壓基本固定在3.3V。圖3-3穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)圖3.3主控制器電路設(shè)計(jì) 在上文第二章中介紹了我們的設(shè)計(jì)使用的主控芯片是STM32F103C8T6單片機(jī)。這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)擁有豐富的內(nèi)部資源，能夠滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的需要。它內(nèi)部有代碼量可達(dá)128k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，也就是說內(nèi)部存在的SRAM字節(jié)的最大值能達(dá)到20k。3.3.1STM32F103C8T6芯片介紹 STM32F103C8T6芯片進(jìn)行工作時(shí)電源產(chǎn)生的電壓在2.0V-3.6V的范圍內(nèi)。這個(gè)型號(hào)的芯片有下面這四種工作模式：低功耗模式、睡眠模式、停機(jī)模式和待機(jī)模式，Vbat作為備用電源為RTC和后備寄存器供電。該芯片的工作頻率范圍為4-16MHZ，可倍頻，實(shí)際工作頻率最大可達(dá)72MHZ。片內(nèi)配置有RC振蕩器，頻率為8MHZ，而且RC振蕩器具備校準(zhǔn)功能，40KHZ就是它在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生的頻率的最大值，它能生成CPU時(shí)鐘；該芯片內(nèi)部還有32KHZ的RTC振蕩器，也是具備校準(zhǔn)的功能。芯片本身具備的功能還有SPI、USART、ADC、I2C以及定時(shí)器。芯片所有的輸入輸出接口一共有37個(gè)，每一個(gè)接口都能對(duì)16個(gè)外部中斷進(jìn)行映射；除了A/D接口外，其他I/O接口都可以接收5V信號(hào)。STM32F103C8T6芯片有四個(gè)定時(shí)器，TIM1表示高級(jí)定時(shí)器，剩下的三個(gè)都屬于通用定時(shí)器，還有兩個(gè)支持SMBus/PMBus的I2C接口，還有USART接口3個(gè)，還有很多其它接口。下圖是該芯片構(gòu)成原理的詳細(xì)示意圖。圖3-4STM32F103C8T6原理圖3.3.2STM32F103C8T6最小系統(tǒng)無論是哪種微控制器，都不能只通過一個(gè)微控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。就算是廣泛使用的單片機(jī)最小系統(tǒng)，也要由兩部分來組成的，一部分是復(fù)位電路，另一部分是晶振電路。當(dāng)然，STM32F103系列單片機(jī)也是如此，不僅要有控制芯片，還有外圍電路如系統(tǒng)必備的復(fù)位電路，處理信號(hào)的濾波電路，boot電路，控制時(shí)間的晶振電路，調(diào)試接口等。如下圖3-5為boot電路原理圖、圖3-6為復(fù)位電路原理圖、圖3-7為時(shí)鐘電路原理圖、圖3-8為下載電路原理圖。圖3-5boot電路原理圖圖3-6復(fù)位電路原理圖圖3-7時(shí)鐘電路原理圖圖3-8下載電路原理圖3.4心率采集電路設(shè)計(jì)在我們的設(shè)計(jì)中的PulseSensor心率傳感器模塊使用到的傳感器屬于光電式，光信號(hào)通過LED發(fā)出，光波長度的具體數(shù)值是515nm，整個(gè)模塊處于工作狀態(tài)時(shí)電壓為3.3V，一般情況下，模塊會(huì)檢測(cè)到光反射信號(hào)，信號(hào)再通過濾波等操作處理，通過輸出引腳對(duì)得到的模擬信號(hào)進(jìn)行輸出。A/D接口的作用就是對(duì)使用者的心率波形相關(guān)信息進(jìn)行采集并以采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)心率進(jìn)行深入計(jì)算。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇使用的芯片是有模數(shù)轉(zhuǎn)換器存在的，所以我們能夠使用轉(zhuǎn)換器對(duì)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)直接進(jìn)行讀取，通過模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換最終得到數(shù)字量數(shù)據(jù)，再使用對(duì)應(yīng)算法對(duì)心率的具體數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。下圖就是整個(gè)模塊電路原理的示意圖，它只有VCC和GND還有信號(hào)輸出三個(gè)引腳。示意圖里的1腳對(duì)芯片的ADC引腳進(jìn)行輸出，后面的PA0就是芯片的轉(zhuǎn)換引腳，它的功能就是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，讓采集使用者心率信息的功能得到實(shí)現(xiàn)。2引腳與電壓為3.3V的電源相接，剩下的引腳就與GND進(jìn)行連接。圖3-9pulsesensor傳感器電路設(shè)計(jì)圖3.5RTC時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)出的這個(gè)智能手環(huán)系統(tǒng)需要具備對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)間進(jìn)行顯示還有對(duì)使用者制定的鬧鐘進(jìn)行提醒的基礎(chǔ)功能，因?yàn)槲覀冞x擇使用的主控制芯片的內(nèi)部本來就存在RTC時(shí)鐘電路，而且它的RTC是一個(gè)定時(shí)器而且與其它的部分并不存在聯(lián)系也就是說它是獨(dú)立存在的。需要我們格外注意的是在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)間進(jìn)行顯示這個(gè)功能時(shí)電量是會(huì)減少的，我們把一顆紐扣電池添加在芯片的VBTA引腳上才能讓芯片的后背寄存器進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作處理。 下圖是設(shè)計(jì)中使用到的紐扣電池電路原理的示意圖。整個(gè)系統(tǒng)處于通電狀態(tài)時(shí)，電壓為3.3V的電源會(huì)經(jīng)過存在單向?qū)щ娦蕴卣鞯腄1IN4148二極管，這個(gè)時(shí)候二極管也是導(dǎo)通的狀態(tài)，芯片的VBTA引腳也通電，T1表示的就是紐扣電池，D2表示的也是二極管能夠通過T1上電，它會(huì)受到D1影響處于不導(dǎo)通的狀態(tài)。因此，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)都上電的時(shí)候VBAT引腳會(huì)收到來自系統(tǒng)的供電；相反，系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)時(shí)D1就不在進(jìn)行工作，此時(shí)D2導(dǎo)通，紐扣電池會(huì)通過D2將電源輸送到VBAT引腳上。綜上，無論系統(tǒng)處于通電狀態(tài)還是斷電狀態(tài)，電路都能處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。圖3-10RTC時(shí)鐘供電電路3.61602顯示電路 此次設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單易操作的1602顯示屏。液晶屬于高分子材料。液晶1602顯示器的顯示容量有兩行，每行顯示字符可達(dá)十六個(gè)；芯片工作電壓3V-5V，其最佳工作電壓為3.3V，工作電流為2.0mA。 如圖3-11為1602液晶顯示器的電路設(shè)計(jì)原理圖。接口說明如下：液晶1、2端為液晶控制器的電源引腳；15、16為背光電源接口引腳。液晶3腳為對(duì)比度調(diào)節(jié)端口，接一個(gè)2K的電阻到地線，電阻的阻值小于5K即可。4腳的RS為與液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令的交流選擇端，接單片機(jī)I/O控制接口；5腳R/W為讀/寫選擇端，讀數(shù)據(jù)時(shí)，R/W置高，寫數(shù)據(jù)時(shí)置低，與單片機(jī)的I/O控制接口相接；6腳為使能端引腳，整個(gè)操作里一定要使用到這個(gè)信號(hào)，接單片機(jī)的輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)控制；剩下的引腳都是數(shù)據(jù)接口，接上這些數(shù)據(jù)接口就能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。圖3-111602液晶顯示器電路設(shè)計(jì)原理圖3.7ADXL345加速度傳感器電路設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)中我們選擇實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能的傳感器的型號(hào)是ADXL345，這個(gè)傳感器本身的功能是測(cè)量三軸角速度與加速度，它只是被我們作為計(jì)步傳感器使用。通過傳感器收集使用者產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，再與對(duì)三軸角度有關(guān)的具體信息進(jìn)行讀取，經(jīng)過算法進(jìn)行計(jì)算最終轉(zhuǎn)化成具體步數(shù)并進(jìn)行記錄就能實(shí)現(xiàn)計(jì)步功能。 ADXL345在三個(gè)不同的正相交方向上都存在加速度感知能力，整個(gè)傳感器由多個(gè)元件構(gòu)成，最后傳感器輸出的信號(hào)形式是電信號(hào)，經(jīng)過它內(nèi)部的芯片，讀取出相關(guān)數(shù)據(jù)，利用數(shù)字接口對(duì)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。在這個(gè)模塊我們選擇使用的是CY-291ADXL345，ADXL345芯片擁有的功能能夠在這個(gè)模塊中全部實(shí)現(xiàn)。我們把這個(gè)模塊的數(shù)據(jù)接口與STM32單片機(jī)進(jìn)行連接就能對(duì)它的三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。下圖是這個(gè)模塊設(shè)計(jì)電路原理的詳細(xì)示意圖。這個(gè)模塊一共有8個(gè)引腳，分別為SCL、SDA、SDO、INT1、INT2、CS、GND、VS。我們需要將傳感器收集的三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，所以我們SDA和SCL接上串行兩線通信，在兩個(gè)引腳出接上PB0和PB1，將中斷輸出引腳設(shè)定為傳感器的INT1.并將其與PA7引腳進(jìn)行連接，這時(shí)的PA7就成為了外部的中斷輸入引腳。圖3-12ADXL345三軸加速度傳感器電路原理圖3.8鍵盤電路設(shè)計(jì) 智能手環(huán)系統(tǒng)具備的顯示切換和時(shí)間調(diào)整以及步數(shù)清除的具體功能主要通過設(shè)置、設(shè)置加、設(shè)置減以及切換這四個(gè)獨(dú)立的按鈕來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。設(shè)置鍵也是退出鍵，它能實(shí)現(xiàn)進(jìn)入時(shí)間設(shè)置界面與退出的功能，設(shè)置加號(hào)鍵用于設(shè)置數(shù)據(jù)加號(hào)，設(shè)置減鍵能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行減小。減鍵在主界面中還有一個(gè)功能，就是對(duì)顯示出的已走步數(shù)手動(dòng)進(jìn)行清除。切換鍵的作用就是切換不同的界面，你可以選擇你想要的界面。下面這張電路圖展示的是鍵盤的電路原理，把GND與四個(gè)獨(dú)立按鍵的某端進(jìn)行連接，再將STM32的輸入輸入接口與另一端進(jìn)行連接。如下圖所示，STM32單片機(jī)的四個(gè)引腳與四個(gè)不同的按鈕接口進(jìn)行連接，微控制器對(duì)電平進(jìn)行檢查測(cè)試發(fā)現(xiàn)電平比較低的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的引腳會(huì)被出發(fā)，如此一來相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作就能完成。圖3-13鍵盤電路設(shè)計(jì)圖第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹 我們這個(gè)設(shè)計(jì)使用的軟件開發(fā)平臺(tái)是具備多個(gè)優(yōu)點(diǎn)的KEIL5MDK平臺(tái)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上我們選擇使用STM32單片機(jī)作為主控制器。在具體設(shè)計(jì)里我們選擇使用STM32庫函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，值得一提的是在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)必須提前調(diào)出單片機(jī)官方V3.5庫文件并進(jìn)行使用，這個(gè)開發(fā)環(huán)境不僅支持硬件仿真，對(duì)軟件仿真它也能支持，通過發(fā)揮仿真器的功能在線就能進(jìn)行編程，而且對(duì)各方面進(jìn)行調(diào)試也比較簡(jiǎn)單，非常適合對(duì)STM進(jìn)行開發(fā)。 在我們使用的開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行編程我們選擇使用的計(jì)算機(jī)語言是C語言，用這個(gè)平臺(tái)對(duì)STM32進(jìn)行開發(fā)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如開發(fā)效率極高、仿真調(diào)試操作簡(jiǎn)單、在線就能進(jìn)行編程等等。 在最開始我們需要對(duì)開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行安裝，之后點(diǎn)擊新建，再選擇對(duì)應(yīng)的庫函數(shù)文件，對(duì)頭文件進(jìn)行添加操作，然后建立相關(guān)的子程序，再進(jìn)行編譯，然后進(jìn)行仿真調(diào)試再在電路中進(jìn)行下載，完成上述具體步驟之后通過聯(lián)合調(diào)試得到相關(guān)結(jié)果，完成整個(gè)過程就完成了測(cè)試。下圖是開發(fā)平臺(tái)軟件調(diào)試的示意圖。圖4-1keil5軟件調(diào)試圖4.2軟件設(shè)計(jì)要求 在上面的內(nèi)容里我們已經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)方案中的軟件開發(fā)環(huán)境和硬件模塊等進(jìn)行了比較具體的介紹?？紤]到設(shè)計(jì)中的各種電路原理以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，寫出的軟件應(yīng)該具備下面這幾個(gè)功能： 可以對(duì)心率信號(hào)進(jìn)行收集； 可以以天為單位自動(dòng)進(jìn)行計(jì)步并實(shí)行掉電保護(hù)，擁有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能； 可以實(shí)時(shí)的對(duì)時(shí)間進(jìn)行顯示、鬧鐘提醒功能； 能夠?qū)崿F(xiàn)液晶實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)、并且能夠切屏顯示。 設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件我們使用的編程語言是C語言，在搜集相關(guān)數(shù)據(jù)方面我們使用的是開發(fā)平臺(tái)的編譯器，硬件模塊由STM32單片機(jī)和各個(gè)傳感器模塊共同組成，最終我們使用型號(hào)為1602的顯示屏對(duì)處理過的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，智能手環(huán)系統(tǒng)具備的各種功能實(shí)現(xiàn)都離不開硬件與軟件設(shè)計(jì)。這一章的主要內(nèi)容就是對(duì)軟件的整體流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，介紹主程序與各個(gè)子程序。系統(tǒng)流程圖如圖4-2所示。 圖4-2系統(tǒng)程序流程圖4.3計(jì)步程序設(shè)計(jì) 我們的系統(tǒng)里設(shè)計(jì)的ADXL345加速度傳感器模塊的主要功能就是對(duì)使用者產(chǎn)生的三軸加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，讀取收集到的數(shù)據(jù)我們選擇使用I2C接口。這個(gè)接口能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，還包括了起止兩種信號(hào)，還有響應(yīng)與非響應(yīng)兩種相反信號(hào)。下圖就是這個(gè)模塊如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取的詳細(xì)流程示意圖，從圖中我們能夠看出，第一步是對(duì)I2C進(jìn)行初始化處理，之后驗(yàn)證ADXL345是否存在，存在才能接著進(jìn)行下一步。接下來對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，需要注意的是在讀取前應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)發(fā)出開始的信號(hào)，等對(duì)應(yīng)器件地址響應(yīng)之后再次對(duì)地址進(jìn)行發(fā)出，之后把讀器件的指令發(fā)送出去，等加速度傳感器輸出對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。我們只需要在緩存區(qū)里存下6次的讀取數(shù)據(jù)就可以發(fā)出停止的信號(hào)，到此這一次的讀取轉(zhuǎn)換工作才算最終完成。下圖4-3就是計(jì)步程序流程框圖。圖4-3計(jì)步程序流程圖4.4心率采集子程序設(shè)計(jì) 此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)心率傳感器的模擬量讀取原理，以A/D轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，將信號(hào)實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)通過下面這幾步來完成心率的測(cè)量：第一步對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化設(shè)置，并且完成通道1的配置，配置中必須要有定時(shí)器存在；第二步將中斷時(shí)間設(shè)定成2ms，這樣循環(huán)定時(shí)器的中斷頻率就是2ms一次，只要出現(xiàn)中斷就對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一次讀值；第三步將讀取數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，利用相關(guān)算法對(duì)心率值進(jìn)行確定，并在顯示屏上進(jìn)行顯示。下圖4-4為心率采集程序流程框圖。圖4-4心率采集程序流程圖4.5本章小結(jié) 這一章的主要內(nèi)容就是把軟件運(yùn)行的整體流程和設(shè)計(jì)的軟件環(huán)境進(jìn)行說明，介紹了主程序與子程序運(yùn)行流程的全部內(nèi)容，并對(duì)主程序進(jìn)行劃分，讓整個(gè)程序具有很高的可讀性。 子程序里都有傳感器存在，在合理的條件下使用驅(qū)動(dòng)程序?qū)ψ映绦蜻M(jìn)行控制能夠讓程序