基于STM32單片機的智能手環設計與實現

摘 要：本文設計了一種基于STM32單片機的智能手環，具有健康監測、運動追蹤和通信等功能。首先，利用心率傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器對用戶心率、體溫和步數等數據進行實時監測，利用OLED電子顯示屏模塊對健康指數進行記錄。其次，基于藍牙模塊，手環可以與用戶手機進行數據傳輸和通信，具有實時通知提醒功能。最后，手環還添加了蜂鳴器模塊，當健康指數超過或低于預設值時，蜂鳴器會被觸發報警并提醒用戶。本設計能夠解決傳統手環功能單一、設計復雜等問題，同時為智能技術的發展提供新的思路。

關鍵詞：STM32單片機；心率檢測；溫度檢測；計步器；智能手環

中圖分類號：TP 216 " " " " " " " 文獻標志碼：A

隨著生活水平提高和科學技術發展，人們開始關注自身的健康狀況。智能穿戴設備隨之也受到越來越多的青睞。作為一種便攜式、佩戴舒適的智能設備，智能手環受到了廣泛歡迎。本文設計了一款基于STM32單片機的智能手環，綜合運用單片機、傳感器等技術對用戶健康數據進行實時監測和記錄，同時支持與電子設備的數據傳輸和通信功能[1]。該設計包括STM32單片機、心率傳感器、溫度傳感器、計步器、藍牙模塊和蜂鳴器模塊等，前4個模塊可以對人體心率、溫度和步數等數據進行采集。藍牙模塊的作用是將單片機與電子設備進行無線連接，便于實時接收和調節數據，進而分析這些數據，進一步了解用戶的健康狀況，并將數據傳送至OLED顯示屏上，方便人們隨時查看。蜂鳴器模塊具有報警和提醒作用，當檢測到健康指數超出或低于預設值時，蜂鳴器會立刻報警并提醒用戶。綜上所述，該智能手環符合社會需求，具有良好的市場價值和廣闊的發展前景。

1 智能手環系統總體結構和功能介紹

基于STM32單片機的智能手環系統總體結構主要包括軟件和硬件2個部分。軟件部分是將編寫好的程序寫入單片機的存儲器中，。指令逐條進入CPU，并在CPU內執行，執行結果由I/O接口輸出。硬件部分包括STM32單片機與溫度傳感器、心率傳感器以及時鐘傳感器等設備，根據原理圖和設計規范進行組裝與焊接，以實現預期功能[2]，對人體的心率、溫度和步數進行檢測。除此之外，整個電路系統還包括藍牙、按鍵和蜂鳴器等模塊，利用藍牙將檢測的數據傳輸至手機App，按鍵電路的作用是調節轉換各個模塊，蜂鳴器的作用是提醒用戶健康指數出現異常。

1.1 系統總體結構

該系統由9個主要部分構成，包括溫度檢測模塊、心率檢測模塊、時鐘模塊、藍牙模塊、計步模塊、顯示模塊、按鍵模塊、蜂鳴器以及STM32控制芯片。這些模塊協同工作，共同實現系統的各項功能[2]。STM32控制芯片是本設計的核心，可控制其他模塊的運行。各個模塊的程序代碼緩存在存儲器中，單片機里的CPU按照指令執行程序。執行結果為MAX30102心率傳感器檢測心率、DS18B20溫度傳感器采集人體溫以及ADXL345計步器統計運動步數。系統整體結構如圖1所示[3]。心率檢測、溫度檢測、時鐘顯示、按鍵和計步器模塊均是將采集的數據傳送至單片機，進一步進行數據處理，因此這些模塊的箭頭都是指向STM32單片機的。液晶顯示、藍牙和蜂鳴器是將單片機數據處理結果發送到這些模塊，液晶顯示各個傳感器測得的數據，藍牙將數據傳送到用戶手機，蜂鳴器具有報警功能。

1.2 功能介紹

該手環以STM32單片機作為核心控制器，其接口電路如圖2所示。單片機STM32F103C8為系統的核心部分，在圖2中記為U1。引腳配置一般包括數字輸入輸出、晶振輸入/輸出、通信接口、時鐘和復位等。通過引腳與其他模塊進行連接，運行后可以實現各個模塊的功能。心率檢測模塊和溫度檢測模塊的作用分別為采集人體的心率和體溫數據。同時，藍牙模塊數據主要是通過無線通信傳輸到手機；計步器通過記錄步數來反映運動量。檢測的心率、溫度、步數、時間的數值后顯示在液晶屏上，方便使用者隨時查看身體各項健康指數。這個手環還具有報警功能，如果心率、體溫和步數超過預設閾值，那么聲光報警器會發出響聲，同時紅燈被點亮。除此之外，手環上的按鍵系統可用于切換功能、調整設置等操作。在按鍵操作過程中手環上可以顯示用戶的健康數據、運動數據和通知等。如果用戶的某一項健康指數偏高或偏低，警報器就會立馬發出報警提醒，該功能能夠為用戶提供安全保障，將風險降到最低。

2 智能手環硬件設計

基于STM32單片機智能手環的硬件設計部分主要包括MAX30102心率傳感器、DS18B20溫度傳感器、ADXL345計步器模塊、DS1302時鐘模塊、蜂鳴器模塊和藍牙模塊等[2]。該設計使用的單片機型號為STM32-F103C8T6，這是一款基于32位ARM Cortex-M3內核的微控制器，由意法半導體（ST Micro electronics）生產[4]。該微控制器具有性能高、功耗低、體積小和集成度高等優點，廣泛應用于家電、汽車、醫療、通信和航空等多個領域，在物聯網和智能家居等技術中具有重要作用。STM32單片機的基本結構主要包括負責執行指令和處理數據的中央處理器、用于連接和控制外部設備的I/O端口、產生定時信號和控制時間序列的定時器和計數器、與其他設備進行通信的串行通信接口、管理各種中斷事件的中斷控制器、驅動各個模塊運行的系統時鐘以及控制工作電壓、電流并保證單片機穩定運行的電源管理單元。這些部分協同合作，使單片機能夠實現各種復雜的功能，使其廣泛應用于各種嵌入式系統。

2.1 心率檢測模塊

心率檢測采用MAX30102傳感器。MAX30102是一個集成的心率監測傳感器模塊，可在手環上進行心率采集、檢測[5]。大窗口的左邊小窗口里有3個LED燈，它們會發出紅光和紅外光等；右邊的小窗口相當于一個光源反射接收器。當檢測心率時，須將手指放在窗口上，此時感應光源照射到手指上。隨著心臟跳動，血液也會像脈沖一樣流過，照射到手指上的紅光會被紅色血液吸收一部分，其他部分被反射到接收器上。采集反射回來的信號，可以得到反射回來的光的強度。發射光源類似沖激信號，反射回來的光同樣如此。由反射光得到的沖激信號的頻率其實就是心臟跳動的頻率，由此可檢測用戶心率。

2.2 溫度檢測模塊

本設計利用DS18B20數字溫度傳感器進行溫度測量。該傳感器內部集成了1個溫度傳感器和1個模數轉換器（ADC）[6]。溫度傳感器的核心器件是溫度敏感電阻器，隨著溫度變化，其電阻值也會發生相應變化。模數轉換器的作用是將溫度傳感器采集的溫度模擬信號轉換為數字信號，將其傳輸到STM32單片機里，進行進一步的數據分析，得到精確的溫度值。因此傳感器測得的溫度值精度和分辨率更高，可以提供0.5 ℃的溫度精度。DS18B20通過數據線供電，只需要接2個引腳即可完成數據傳輸和供電。該傳感器有一個金屬探頭，在測溫過程中，溫度傳導更快、靈敏度更高。

2.3 計步器模塊

計步功能由ADXL345加速度傳感器實現。ADXL345是一種性價比較高的三軸加速度傳感器，其具有體積小、功耗低以及測量范圍廣等特點，廣泛應用于制作便攜計步器領域[7]。它的主要作用是采集數據，并將采集的模擬信號轉換為數字信號，將加速度的變化值輸送到單片機進行數據處理，相當于整個系統的信號產生和轉換模塊[8]。計步器的原理是通過檢測人體行走時腳步的振動來判斷步數。加速度傳感器能夠檢測人體行走過程中的腳步的振動，并將這些振動轉換為電信號。分析加速度信號可以評估人體的行走狀態。利用算法對三軸加速度傳感器的角度進行計算，再利用計算的角度推算用戶的步數，從而實現計步的功能[8]。計步器電路如圖3所示，其中ADXL345為加速度傳感器，記為U。該計步器可以通過SPI（3線或4線）或IC2數字接口訪問，非常適用于移動設備。

2.4 時鐘模塊

DS1302是一款高性能、低功耗的實時時鐘芯片，它只需要較小的電流就能啟動時鐘傳感器，使用簡單串口就可以將其與STM32單片機進行通信連接，并顯示年月日、時分秒和星期。時鐘模塊可以使用12 h或24 h計時，本設計采用的是24 h計時[9]。時鐘模塊電路原理如圖4所示，其中實時時鐘串行計時芯片DS1302為原理圖的第三部分，記為U3。該設備利用同步串行通信與單片機進行交互，具有RST（復位）、I/O（輸入輸出）和SCLK（串行時鐘）接口。在斷電情況下，時鐘電路會生成一個電子信號，利用二極管的單向導通特性，使時鐘繼續運作。串行數據傳輸不僅能為掉電保護電源提供可編程的充電功能，還允許隨時關閉充電功能[10]。當SCLK為低電平時進行數據操作，相鄰操作間有1個上升沿和1個下降沿，設定工作最低電壓為3 V，最高電壓為5 V，運行程序可得到時鐘模塊模擬分析仿真圖（如圖5所示），SCLK的上升沿觸發數據傳輸的開始，下降沿是數據有效的結束，只有在SCLK為低電平情況下，數據才會被鎖存，以保證數據傳輸的可靠性。

2.5 蜂鳴器模塊

蜂鳴器電路原理如圖6所示。蜂鳴器電路由電阻、三極管和蜂鳴器3個部分組成，由單片機的I/O端口控制蜂鳴器。由于啟動蜂鳴器需要較大電流，不能直接連接單片機，因此要加1個三極管。三極管具有放大電流（放大200倍）的作用，加1 kΩ電阻是為了進行限流。將三極管整體作為蜂鳴器的開關，運行后的蜂鳴器工作模擬分析仿真如圖7所示。在三極管基極端電阻前輸入一個脈沖波，設定最低工作電壓為3 V，最高工作電壓為5 V，脈沖寬度為167 ms，輸出端放置1個探針。當單片機的輸出口電平為高電平時，電流會通過蜂鳴器中的線圈產生磁場，磁場會吸引蜂鳴器中的振動片向電磁鐵靠近，并與之接觸。由于振動片和電磁鐵間的接觸是周期性的，因此振動片會產生周期性振動，從而引起蜂鳴器殼體內氣體的周期性振動，最終發出聲波。

2.6 藍牙模塊

采用HC-05主從一體的藍牙模塊進行單片機與手機App間的通信傳輸[10]。HC-05模塊可以與PDA、手機以及電腦等具有藍牙功能的設備進行配對。在手機上下載1個智能手環App，打開手機的藍牙功能進行配對。一旦連接成功，就能夠繞過內部藍牙通信協議，將HC-05藍牙模塊直接用作串口，手機將能夠控制電路板進行功能切換。各個模塊采集的數據經CPU處理并得到準確數值后，通過藍牙模塊傳輸到用戶的手機，方便用戶實時查看。本文設置人的正常心率范圍為60次/min～100次/min，溫度為15 ℃～37.3 ℃。

3 智能手環軟件設計

本文智能手環的軟件設計主要是編寫各個模塊的程序代碼，編譯運行成功后將程序燒錄到單片機里。將這些程序存放于存儲器中等待CPU執行。所有程序運行完成后由I/O口輸出，輸出數據將顯示在OLED電子顯示屏上。

主程序模塊的運行過程如下所示。系統接通電源后需要配置各個傳感器的引腳，然后初始化集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC），由OLED進行液晶顯示，利用ADXL345進行數據采集。采集完成后藍牙串口會初始化，等待發送數據。DS18B20進行溫度采集，心率傳感器獲取當前心率值，時鐘顯示當前時間。再將數據通過藍牙發送到手機端，并控制OLED顯示當前采集的數據。進而進入按鍵掃描，判斷按鍵是否按下，如果按下，那么處理按鍵掃描函數。使用Keilu Vision 5軟件編寫整個系統程序，并進行系統調試，檢驗所編寫的程序是否能夠順利運行。最后檢查各個功能的實現，采用模塊化編程的方法對心率檢測模塊、溫度檢測模塊以及計步器等各模塊分別進行程序編寫。在編寫程序過程中建立工程文件，并命名為project，進而開始編寫程序、編譯并運行。

4 結語

本文基于市場需求分析和STM32單片機的特性，設計了一款基于STM32單片機且功能豐富、穩定可靠的智能手環。設計重點關注主要功能的實現，優化用戶界面設計、數據處理和算法，以降低系統的復雜性。并通過試驗驗證了該智能手環在步數統計、心率監測和溫度監測等方面的可行性和準確性。利用溫度和心率傳感器進行數據采集和分析，可以得到用戶健康指標，進一步提高用戶的生活質量。利用手機與手環的藍牙通信功能，用戶可以實時訪問手環的數據。該智能手環在設計過程中充分發揮了STM32單片機的資源和特性，優化了任務調度、電源管理以及低功耗設計，使系統能夠對溫度、步數以及測心率等功能進行高速轉換，具有效能高、功耗低的優點。該設計還具有良好的用戶交互性和信息展示性，符合用戶對智能手環的期望。

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通信作者：梁成功（1980—），男，山西忻州市人，副教授，研究方向為凝聚態物理、電子科學與技術。

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