一種人體健康檢測儀設計

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根據被測對象的紅外輻射能量檢測人體當前的體溫值、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。當測量值中的任意一值超過了設定的上下限范圍時會觸發報警。打開WiFi模塊后，App端可接收到檢測值并顯示。本系統簡單易行、控制方便。

關鍵詞：單片機;紅外測溫;心率;血氧;WiFi

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻標識碼：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，測量數值直接反映出人體的健康狀態，傳統的檢測儀只有個別功能，如體溫計、血氧儀，只能單獨測量一個量，不能系統反映出用戶是否康健。這些傳統的測量方法具有使用不便，功能單一、攜帶不便的特點。紅外技術和傳感器的不斷發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，本項目檢測設備中非接觸式紅外測溫功能可以降低感染風險，同時，心率血氧也是重要的兩個健康參數，能讓大家全面地了解自己當前的身體狀況。

2 主要技術和功能

本人體健康檢測儀系統實現如下功能：

1）可以檢測當前體溫、心率和血氧濃度;體溫測量為非接觸。

2）在顯示屏上顯示當前測得的體溫、心率和血氧濃度。

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

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時傳送到手機App，方面監護人員查看。

5）WiFi模塊和手機App，自動接收測量的體溫值、心率值和血氧濃度。

本設計由STM32F103C8T6單片機控制電路、紅外測溫電路、心率血氧檢測電路、OLED顯示電路、報警電路、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根據被測對象的紅外輻射能量檢測人體當前的體溫值、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。當測量值中的任意一值超過了設定的上下限范圍時會觸發報警。打開WiFi模塊后，手機App可接收到檢測值并顯示。軟件使用C語言進行程序的設計編寫，主要程序包含溫度檢測、心率血氧檢測、顯示、WiFi通信等。

3 主要模塊電路設計

3.1紅外測溫電路模塊設計

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

紅外傳感器可以將檢測到物體的紅外輻射能量轉變為數字信號。STM32可以通過PWM或可編程SMBus控制MLX90614模塊所測得的數據在微處理器中解析數據，然后在OLED屏上顯示。如果系統打開WiFi模塊，單片機將通過WiFi模塊將溫度數據傳輸到手機App上進行顯示。電路如圖2所示。

3.2心率血氧模塊電路設計

心率血氧測量模塊MAX30102根據PPG測量脈搏信號，利用傳感器感測到經血管反射的衰減光，采集數據并通過算法進行心率血氧的計算，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總線的數據）與單片機25腳（PB12）和26腳（PB13）相連。光電轉換器接收到反射的光線后，進行電信號的轉變并將電信號經過處理放大后輸出，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據。電路如圖3所示。

3.3報警電路模塊設計

選擇蜂鳴器作為報警電路的元件，與STM32微控制器的14腳（PA4）相連。當測量的數據值超過最大設定值或者低于最小設定值時，蜂鳴器報警提醒。報警電路如圖4。

3.4 WiFi通信模塊設計

借助WiFi通信傳輸技術，人們可以通過手機自動接收檢測到的體溫、心率和血氧數據，系統采用ESP8266芯片，采用手機WiFi進行無線匹配，在WiFi信號范圍內均可接收到測量數據。在手機上自行下載安裝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據并顯示。ESP8266的引腳RESET、RXD、TXD分別與單片機2腳（PC13）、12腳（PA2）、13腳（PA3）相連。ESP8266連接單片機的電路如圖5所示。

3.5 OLED顯示模塊設計

本系統采用OLED作為顯示屏幕。 OLED不需要背光板，當載流子注入和復合時有機材料出現發光現象，電流大則發出的光越強，電流小則發出的光越弱。OLED采用IIC電路連接，D0、D1分別與單片機的42腳（PB6）、43腳（PB7）腳相連。顯示電路如圖6所示。

4 結束語

正常來說心率、血氧和體溫這些健康指數最能有效地反映人體的健康狀態，警示突發情況。我們為了讓人們便于檢測自身健康指數，提出了便捷的健康檢測儀系統。本系統以STM32F103C8T6單片機為主控芯片，集紅外測溫、心率血氧測量以及上下限報警功能于一體，在啟用WiFi模塊后，系統可以將測量數據傳送到手機App上進行顯示。

我們研究了目前一些測溫、測量心率值和血氧濃度值的設備和技術后，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，進行生理數據采集。用Altium Designer和Keil5分別完成了健康檢測儀的硬件電路設計和軟件設計。我們實現了健康檢測儀并進行了測試。結果表明健康檢測儀設計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App上顯示測量數據。本設計實現了自主實時檢測人體基本健康指數（體溫、心率、血氧），并通過WiFi傳輸數據到手機App上的功能。健康檢測儀檢測到的人體體征數據具有一定的參考性。

由于沒有更多的時間進行研究，本健康檢測儀的設計仍存在一些需要進一步修繕的地方，例如可以選擇合適的外殼材料設計制作出美觀簡潔的包裝;在保證系統大小的情況下，將測量到的人體體征數據進行聯網，建立個人檔案并進行指數分析;系統還可以增加血壓和血糖的測量，進一步完善系統的功能等。只有進一步的學習才可以設計出功能性更高、便捷性更好的系統，才能給有需要的人提供一份幫助。

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【通聯編輯：朱寶貴】