一種人體健康檢測儀設(shè)計(jì)

張勝男　沈蕊　徐艷　李俊佳　丁旭東　馬盼盼　李大鵬

摘要：本人體健康檢測儀由單片機(jī)作為主控電路、包括紅外測溫電路、心率血氧檢測電路、OLED顯示電路、報(bào)警電路、電源電路、WiFi模塊。通電后，通過紅外傳感器MLX90614和MAX30102根據(jù)被測對象的紅外輻射能量檢測人體當(dāng)前的體溫值、心率值和血氧濃度值，并在OLED屏上顯示測得的體溫值、心率值和血氧濃度值。當(dāng)測量值中的任意一值超過了設(shè)定的上下限范圍時會觸發(fā)報(bào)警。打開WiFi模塊后，App端可接收到檢測值并顯示。本系統(tǒng)簡單易行、控制方便。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);紅外測溫;心率;血氧;WiFi

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0095-02

1 引言

體溫、心率以及血氧是人體基本的生命體征，測量數(shù)值直接反映出人體的健康狀態(tài)，傳統(tǒng)的檢測儀只有個別功能，如體溫計(jì)、血氧儀，只能單獨(dú)測量一個量，不能系統(tǒng)反映出用戶是否康健。這些傳統(tǒng)的測量方法具有使用不便，功能單一、攜帶不便的特點(diǎn)。紅外技術(shù)和傳感器的不斷發(fā)展讓具有紅外測溫等功能的檢測儀開始面向大眾。

特殊時期，大家需要隨時測量體溫，本項(xiàng)目檢測設(shè)備中非接觸式紅外測溫功能可以降低感染風(fēng)險(xiǎn)，同時，心率血氧也是重要的兩個健康參數(shù)，能讓大家全面地了解自己當(dāng)前的身體狀況。

2 主要技術(shù)和功能

本人體健康檢測儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）可以檢測當(dāng)前體溫、心率和血氧濃度;體溫測量為非接觸。

2）在顯示屏上顯示當(dāng)前測得的體溫、心率和血氧濃度。

3）測量值超過設(shè)定值范圍（體溫：35～38℃，心率：60～100次/分，血氧：<90%）則報(bào)警提醒。

4）對于老人、孩子等特殊人群，該檢測儀通過WiFi模塊把測量的體溫值、心率值和血氧濃度實(shí)時傳送到手機(jī)App，方面監(jiān)護(hù)人員查看。

5）WiFi模塊和手機(jī)App，自動接收測量的體溫值、心率值和血氧濃度。

本設(shè)計(jì)由STM32F103C8T6單片機(jī)控制電路、紅外測溫電路、心率血氧檢測電路、OLED顯示電路、報(bào)警電路、電源電路、WiFi模塊組成。具體如圖1所示。

通電后，通過紅外傳感器MLX90614和MAX30102根據(jù)被測對象的紅外輻射能量檢測人體當(dāng)前的體溫值、心率值和血氧濃度值，并在OLED屏上顯示測得的體溫值、心率值和血氧濃度值。當(dāng)測量值中的任意一值超過了設(shè)定的上下限范圍時會觸發(fā)報(bào)警。打開WiFi模塊后，手機(jī)App可接收到檢測值并顯示。軟件使用C語言進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)編寫，主要程序包含溫度檢測、心率血氧檢測、顯示、WiFi通信等。

3 主要模塊電路設(shè)計(jì)

3.1紅外測溫電路模塊設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，紅外測溫模塊MLX90614的SCL和SDA與單片機(jī)的I/O口（PA10、PA11）相連，MLX90614的SCL接口和SDA接口是漏極開路結(jié)構(gòu)，需要加上拉電阻。熱電元件在理想狀態(tài)下的輸出電壓是（A為元件的靈敏度常數(shù)）：

紅外傳感器可以將檢測到物體的紅外輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。STM32可以通過PWM或可編程SMBus控制MLX90614模塊所測得的數(shù)據(jù)在微處理器中解析數(shù)據(jù)，然后在OLED屏上顯示。如果系統(tǒng)打開WiFi模塊，單片機(jī)將通過WiFi模塊將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)App上進(jìn)行顯示。電路如圖2所示。

3.2心率血氧模塊電路設(shè)計(jì)

心率血氧測量模塊MAX30102根據(jù)PPG測量脈搏信號，利用傳感器感測到經(jīng)血管反射的衰減光，采集數(shù)據(jù)并通過算法進(jìn)行心率血氧的計(jì)算，使用方法簡便且易于佩戴。MAX30102的引腳SCL（接I?C總線的時鐘）和SDA（接I?C總線的數(shù)據(jù)）與單片機(jī)25腳（PB12）和26腳（PB13）相連。光電轉(zhuǎn)換器接收到反射的光線后，進(jìn)行電信號的轉(zhuǎn)變并將電信號經(jīng)過處理放大后輸出，微處理器STM32通過對心率血氧模塊的控制和配置寄存器，使得傳感器接收到被測物體的測量數(shù)據(jù)。電路如圖3所示。

3.3報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)

選擇蜂鳴器作為報(bào)警電路的元件，與STM32微控制器的14腳（PA4）相連。當(dāng)測量的數(shù)據(jù)值超過最大設(shè)定值或者低于最小設(shè)定值時，蜂鳴器報(bào)警提醒。報(bào)警電路如圖4。

3.4 WiFi通信模塊設(shè)計(jì)

借助WiFi通信傳輸技術(shù)，人們可以通過手機(jī)自動接收檢測到的體溫、心率和血氧數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用ESP8266芯片，采用手機(jī)WiFi進(jìn)行無線匹配，在WiFi信號范圍內(nèi)均可接收到測量數(shù)據(jù)。在手機(jī)上自行下載安裝App，通過WiFi信號搜索到“FAST-DA7A”，輸入密碼，連接成功后，App上會自動接收測量數(shù)據(jù)并顯示。ESP8266的引腳RESET、RXD、TXD分別與單片機(jī)2腳（PC13）、12腳（PA2）、13腳（PA3）相連。ESP8266連接單片機(jī)的電路如圖5所示。

3.5 OLED顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用OLED作為顯示屏幕。 OLED不需要背光板，當(dāng)載流子注入和復(fù)合時有機(jī)材料出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，電流大則發(fā)出的光越強(qiáng)，電流小則發(fā)出的光越弱。OLED采用IIC電路連接，D0、D1分別與單片機(jī)的42腳（PB6）、43腳（PB7）腳相連。顯示電路如圖6所示。

4 結(jié)束語

正常來說心率、血氧和體溫這些健康指數(shù)最能有效地反映人體的健康狀態(tài)，警示突發(fā)情況。我們?yōu)榱俗屓藗儽阌跈z測自身健康指數(shù)，提出了便捷的健康檢測儀系統(tǒng)。本系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，集紅外測溫、心率血氧測量以及上下限報(bào)警功能于一體，在啟用WiFi模塊后，系統(tǒng)可以將測量數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)App上進(jìn)行顯示。

我們研究了目前一些測溫、測量心率值和血氧濃度值的設(shè)備和技術(shù)后，選擇了紅外傳感器MLX90614來測量體溫，利用光電容積法來測量心率血氧，采用MAX30102作為心率血氧測量的主要傳感器模塊，進(jìn)行生理數(shù)據(jù)采集。用Altium Designer和Keil5分別完成了健康檢測儀的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。我們實(shí)現(xiàn)了健康檢測儀并進(jìn)行了測試。結(jié)果表明健康檢測儀設(shè)計(jì)可以正確有效的檢測人體的體溫、心率值和血氧濃度值，通過WiFi模塊可以成功在手機(jī)App上顯示測量數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自主實(shí)時檢測人體基本健康指數(shù)（體溫、心率、血氧），并通過WiFi傳輸數(shù)據(jù)到手機(jī)App上的功能。健康檢測儀檢測到的人體體征數(shù)據(jù)具有一定的參考性。

由于沒有更多的時間進(jìn)行研究，本健康檢測儀的設(shè)計(jì)仍存在一些需要進(jìn)一步修繕的地方，例如可以選擇合適的外殼材料設(shè)計(jì)制作出美觀簡潔的包裝;在保證系統(tǒng)大小的情況下，將測量到的人體體征數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，建立個人檔案并進(jìn)行指數(shù)分析;系統(tǒng)還可以增加血壓和血糖的測量，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的功能等。只有進(jìn)一步的學(xué)習(xí)才可以設(shè)計(jì)出功能性更高、便捷性更好的系統(tǒng)，才能給有需要的人提供一份幫助。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】