基于STM32的便攜式多功能醫(yī)用檢測儀

劉甜歌 吳振磊 吳娟

摘要：現(xiàn)在的科技迅猛發(fā)展，迫使人們的生活節(jié)奏也隨之加快，加之生活環(huán)境受污染，讓人們也不得不走出自己所熟悉的舒適圈，促使人類的健康狀態(tài)也在不斷的下滑。現(xiàn)在，大部分的身體健康監(jiān)測設(shè)備都體積笨重，且檢測的精度不高，因此一款具備高精度、小體積、便攜帶的生理監(jiān)護(hù)儀有著很大的社會價值和意義。本文所設(shè)計的便攜式多功能醫(yī)用檢測儀是以高性能的STM32單片機(jī)為控制核心，具有血氧心率等檢測功能，可實現(xiàn)對生理參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該檢測儀能對人體的生理參數(shù)中的體溫、血氧、心率參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測量，能設(shè)置各參數(shù)的觸發(fā)值，且檢測的參數(shù)能顯示在液晶屏上，并通過WiFi ESP8266無線模塊。同時，可將檢測到的參數(shù)傳輸?shù)揭苿佣耸謾C(jī)APP上，在下位機(jī)和手機(jī)APP上發(fā)出警報，提醒用戶注意當(dāng)前的身體狀況。

關(guān)鍵詞：STM32;體溫檢測;血氧心率檢測;手機(jī)APP

中圖分類號：TP216

1?? 引言

隨著社會發(fā)展，我國國民生活消費水平日漸提升，身體健康問題已成當(dāng)前國民主要問題。因此有一款具備高精度、小體積、便攜帶的多功能檢測儀來檢測身體生理參數(shù)指標(biāo)，對了解人體身心健康有非常重要的作用。

使用者可以通過按鍵，或者通過手機(jī)WiFi 及APP對體溫、血氧、心率等生理參數(shù)的控制值進(jìn)行本地設(shè)置和遠(yuǎn)程無線設(shè)置。當(dāng)檢測到體溫、血氧、心率中任意一項出現(xiàn)異常時，將利用蜂鳴器作為報警器件發(fā)出警報聲，從而達(dá)到提醒的效果同時也會把報警信號發(fā)送到手機(jī)APP上。

2?? 系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容

血氧心率檢測系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)控制人體生理參數(shù)的遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，對傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)儀中存在的低自動化、低精度、不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控等缺點進(jìn)行了完善。為實現(xiàn)對人體生理參數(shù)的測量，將利用溫度傳感器、血氧心率傳感器對人體生理參數(shù)中的體溫、血氧、心率進(jìn)行實時的測量，檢測的體溫、心率、血氧信息將通過顯示屏給予顯示，同時也能通過無線通信技術(shù)，將檢測的信息顯示在移動端手機(jī)APP上。

人體生理參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計主要以嵌入式處理器STM32為控制器，控制和協(xié)調(diào)各模塊間的運行，利用溫度傳感器DS18B20檢測人體體溫，利用血氧心率傳感器MAX30102檢測人體血氧參數(shù)和心理參數(shù)，通過OLED屏幕顯示檢測到的參數(shù)信息。利用無線通信WiFi模塊ESP8266實現(xiàn)檢測端與移動監(jiān)控端手機(jī)之間信息的傳輸。當(dāng)檢測到體溫、血氧或心率參數(shù)出現(xiàn)異常時，通過蜂鳴器和手機(jī)APP來發(fā)出異常報警，從而提醒使用者進(jìn)行及時的預(yù)防和處理。根據(jù)控制要求，該小車主要由控制模塊、通信模塊、顯示模塊、電機(jī)模塊、傳感模塊和軟件APP等組成，其整體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3?? 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 控制模塊

STM32F103C8T6處理器的運行處理能力快，運行頻率為72MHz。且擁有周期乘法、硬件除法的存在，因此跑指令功能特別強(qiáng)。同時核心板上自帶有復(fù)位功能，可進(jìn)行上電、斷電復(fù)位功能。有電壓檢測器，該檢測器可以通過軟件編寫程序來控制。有內(nèi)嵌RC振蕩器，其中調(diào)好的有8MHz，而標(biāo)準(zhǔn)的有40KHz。還具備RTC振蕩器為32KHz，該振蕩器具有校準(zhǔn)功能。有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，為兩個12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其中具有快速控制功能的IO口37個，且所有的IO口，具有映射功能，能映射到16個外部中斷。有串口通信功能，共有三組，方便多組串口通信之間的控制使用。現(xiàn)已被應(yīng)用到各種自動化的控制系統(tǒng)中。

在STM32F103C8T6核心板設(shè)計時，為了應(yīng)對不同供電電源，加入一個穩(wěn)壓電路，從而穩(wěn)定外部輸入的電源。為了使電路中輸出的電壓紋波，得以消除，提高信號的穩(wěn)定，會設(shè)計一個濾波電路，主要起到抑制、防止干擾效果。

3.2 體溫檢測模塊

本設(shè)計中使用數(shù)字型溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)體溫的檢測，該溫度傳感器有著體積小、高抗性、高精度等優(yōu)點。溫度傳感器DS18B20使用簡單，與外部的處理器通過單總線來完成檢測信息的通信。精度高是指測量的溫度誤差小溫差不到0.5℃。分辨率高是指傳感器自帶12位分辨率，且測量的最高分辨率可達(dá)0.0625℃，分辨率可根據(jù)需求來相應(yīng)的上調(diào)或者下調(diào)。

DS18B20在工作時，傳感器中的低溫系數(shù)晶振和高溫系數(shù)晶振，這兩者所產(chǎn)生的晶體震蕩頻率，都會因受到外部的不同溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)的影響，如將低溫系數(shù)晶振表示為Y1，而高溫系數(shù)晶振表示Y2，當(dāng)DS18B20受到外面溫度的影響時，Y1就會受到影響，但該影響相對較小，而Y2也會受到影響，但Y2的影響會發(fā)生很大。Y1所產(chǎn)生的脈沖信號將輸入到計數(shù)器1中，而Y2所產(chǎn)生的脈沖信號將輸入到計數(shù)器2中。如將計數(shù)器1表示為C1，計數(shù)器2表示為C2，DS18B20在開始之前就會在C1和溫度寄存器中設(shè)置一個溫度基數(shù)，這個基數(shù)值是一個和-55℃溫度值相匹配的值。在DS18B20工作時，C1每次接受到Y(jié)1所產(chǎn)生的脈沖信號后，C1就會做出相應(yīng)的反應(yīng)，即自動對當(dāng)前的基數(shù)進(jìn)行減操作（自動減1），直到將設(shè)置的基數(shù)值為0℃，而這時的溫度寄存器將自動進(jìn)行加操作（自動加1），與此同時C1也將自動循環(huán)進(jìn)行重載基數(shù)的操作，該循環(huán)操作一直到C2數(shù)值為0℃為止，溫度寄存器中的數(shù)值將不再進(jìn)行加1操作，而下一個時鐘周期后，將讀出寄存器中的數(shù)值，此時讀出的數(shù)值便是當(dāng)前所測量的物體溫度值。

3.3 心率血氧檢測模塊

MAX30102傳感器測量的精度高，采用IIC輸出，功耗非常低，且能利用軟件來控制模塊的關(guān)斷。

MAX30102血氧心率傳感器是利用光電容積法來完成血氧濃度和心率的測量，MAX30102傳感器工作時，會發(fā)出一道紅外檢測光源，當(dāng)人將手指，或者手腕放到傳感器上，紅外光就會透入到人體血管，會給當(dāng)前脈搏內(nèi)的充血容積產(chǎn)生變化。

3.4顯示模塊

本設(shè)計使用OLED 屏顯示相關(guān)生理參數(shù)信息，OLED 是一種液晶屏中特殊的有機(jī)電機(jī)關(guān)顯示屏，雖然OLED 屏幕不大，但是該屏幕的可視角度卻較大，OLED 屏有多指令控制，不但能通過指令來操控OLED 屏的對比度、以及亮度，同時還能操控開關(guān)升壓電路。OLED 屏幕功能豐富，同樣提供漢字、圖案以及字符等顯示功能，使用簡單，操作方便。0.96寸OLED12864顯示屏提供SPI和IIC兩種圖形方式，是一款128x64 的高分辨率顯示模塊，內(nèi)置字庫芯片，該字庫芯片為GT20L16S1Y，在顯示的時候可以直接調(diào)用編碼來顯示出所需的中文在屏幕上。

3.5 報警模塊

當(dāng)檢測到人體生理參數(shù)異常時，將利用蜂鳴器來實現(xiàn)異常報警提醒。蜂鳴器是一種通電后能發(fā)出聲音的電聲器件，一般用于防盜和報警提醒等電子產(chǎn)品中。

蜂鳴器報警電路包含有一個蜂鳴器和三極管驅(qū)動，該三極管可以說是蜂鳴器的一個開關(guān)，通過打開三極管來給蜂鳴器的兩個控制端口施壓，或者給出有個方波，就可以驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出響聲。而三極管的觸發(fā)是通過高低電平來完成的，當(dāng)給三極管一個高電平，就會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出響聲，而不需要蜂鳴器發(fā)出響聲時，直接給三極管一個低電平就可。

3.6WiFi無線通信模塊

本文使用WiFi模塊中的ESP8266來完成信息的無線傳輸，ESP8266是一款串口通信WiFi模塊，操作簡單，可與外部處理器進(jìn)行直接連接，并只需利用串口通信協(xié)議就能完成模塊與處理器之間數(shù)據(jù)信息的傳輸。

ESP8266模塊工作在2.412-2.484GHz頻率范圍，其傳輸?shù)乃俾首畲罂梢赃_(dá)到54Mbps/每秒。提供三種功能模式，模式的相關(guān)參數(shù)和信息可配置，分別為Station、AP、AP+Station模式。

Station模式，ESP8266模塊可用作一個接收器，也就是該模式下利用路由器來聯(lián)通模塊與互聯(lián)網(wǎng)，模塊主要用來接收終端設(shè)備發(fā)出的相關(guān)指令信息，如手機(jī)終端發(fā)出的指令信息，從而實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程無線控制目的。

AP模式，ESP8266模塊可用作一個基站，用來聯(lián)通各客戶端，如實現(xiàn)手機(jī)與模塊本身之間的聯(lián)通，相比Station模式，AP模式是一種內(nèi)網(wǎng)之間的通信傳輸，如通過WiFi熱點，達(dá)到無線網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)的目的。

AP+Station模式，ESP8266模塊能同時具備Station和AP工作特性，該模式下可用作接收器，接收指令信息實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制，也可用作基站，實現(xiàn)WiFi設(shè)備與WiFi設(shè)備之間信息的無線傳輸。

本設(shè)計的wifi模塊由于需要使用外網(wǎng)因此，使用的是Station模式。WiFi模塊ESP8266為3.3伏電源供電，并利用串口通信來實現(xiàn)與處理器之間的信息傳輸，因此將模塊ESP8266的串口通信引腳TXD和RXD分別連接到處理器的控制IO口PA10和PA9。遠(yuǎn)程端使用WiFi APP來完成監(jiān)控，本次使用的WiFi APP也叫“MQTT控制端”。“MQTT控制端”使用java語言在Android?Studio軟件中開發(fā)設(shè)計而成。

4?? 軟件設(shè)計

人體生理參數(shù)遠(yuǎn)程檢測將使用Keil5軟件來編寫C語言控制代碼，運行時先系統(tǒng)初始化，然后掃描按鍵，判斷按鍵有無按下或者WiFi模塊ESP8266設(shè)置指令，根據(jù)按下的不同按鍵或者WiFi模塊ESP8266指令設(shè)置各參數(shù)的報警值，完成設(shè)置后，從溫度傳感器、心率血氧傳感器中分別獲取體溫、心率、血氧值并顯示在OLED 屏，并啟動串口通過WiFi模塊ESP8266模塊發(fā)送檢測參數(shù)給手機(jī)APP，并接著將獲取的生理參數(shù)進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)檢測的參數(shù)中任意一項出現(xiàn)異常（溫度超出設(shè)置范圍或者心率超出設(shè)置范圍或者血氧濃度超出設(shè)置范圍），處理器將控制蜂鳴器發(fā)出報警響聲，同時發(fā)送參數(shù)異常指令給WiFi模塊ESP8266APP，并重新檢測。

5結(jié)束語

針對預(yù)防人體健康問題存在的潛伏期病發(fā)癥的危險檢測，本文提出一種人體生理參數(shù)遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)，用來對人體生理參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。在本文中主要是對系統(tǒng)的方案設(shè)計和實物的制作過程進(jìn)行了闡述，并對測試系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計和軟件實現(xiàn)方案進(jìn)行了介紹。

利用嵌入式STM32單片機(jī)為控制核心，通過傳感器來實時的采集人體當(dāng)前的體溫、心率、血氧參數(shù)，并利用液晶屏來顯示采集的體溫、心率、血氧信息，利用wifi模塊ESP8266無線模塊，將檢測參數(shù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上，同時也可以通過wifi模塊ESP8266無線模塊接收手機(jī)APP發(fā)出的指令。當(dāng)檢測體溫、心率、血氧中的任意參數(shù)異常時，將發(fā)出報警提醒。本設(shè)計有著便攜帶、高精度、遠(yuǎn)程檢測、性能穩(wěn)定等特點。

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作者簡介：

劉甜歌（1999-），女，江蘇徐州人，蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程專業(yè)

吳振磊（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：電子信息工程技術(shù)。

吳娟（2000-），女，貴州黔西南州人，蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)

通訊作者：

吳振磊（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：電子信息工程技術(shù)。

項目名稱：

江蘇省創(chuàng)新訓(xùn)練項目：《便攜式多功能醫(yī)用檢測儀》

項目編號：202012685002Y。