基于单片机的运动监测控制系统设计

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生物医学信号指标与人体的健康息息相关，只有掌握其中规律才能更好的解决人体的健康问题。随着电子信息技术的发展和医学的不断进步，人们对高精度便捷式生物医学信号电子检测设备的需求越来越高。而心率和步数又是人体的两个重要指标。

本设计由STM32F103C8T6单片机核心板电路、ADXL345传感器电路、心率传感器电路、温度传感器和lcd1602电路组成。

通过重力加速度传感器ADXL345检测人的状态，计算出走路步数、走路距离和平均速度；通过心率传感器实时检测心率；通过温度传感器检测温度；通过LCD1602实时显示步数、距离和平均速度、心率以及温度值。

No.1 系统功能分析与结构设计

本设计由STM32F103C8T6单片机核心板电路+ADXL345传感器电路+心率传感器电路+温度传感器+lcd1602电路组成。

1、通过重力加速度传感器ADXL345检测人的状态，计算出走路步数、走路距离和平均速度。

2、通过心率传感器实时检测心率，通过温度传感器检测温度。

3、lcd1602实时显示步数、距离和平均速度、心率以及温度值。

本系统具体框图如下图所示：

图1. 结构设计框图

No.2 STM32处理器电路设计

STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。

选择此款控制芯片是因为本系统设计并非追求成本的最低或更小的功耗，而是在实现本设计功能的前提下能够提供更丰富的接口和功能以便于设计实验系统各实验项目所需的外围扩展电路。

此款控制芯片在完成单片机课程的学习后上手较为容易，在医疗器械中应用广泛，具有很好的学习、实验研究价值。

图2. STM32处理器引脚图

No.3 LCD1602显示电路设计

LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。

系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。

LCD1602主要技术参数如下：

1）显示容量为16×2个字符；

2）芯片工作电压为4.5～5.5V；

3）工作电流为2.0mA（5.0V）；

4）模块最佳工作电压为5.0V；

5）字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。

LCD1602采用标准的14脚，其引脚说明如下：

1）第1脚：VSS为地电源。

2）第2脚：VDD接5V正电源。

3）第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端。

4）第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

5）第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

6）第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

7）第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

8）第15～16脚：空脚。

LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，说明下表所示：

No.4 倾斜抖动传感电路设计

本设计选择倾角传感器ADXL345模块实时检测相关的状态信息。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。

ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。

该器件提供多种特殊检测功能。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。自由落体检测功能可以检测器件是否正在掉落。这些功能可以独立映射到两个中断输出引脚中的一个。

正在申请专利的集成式存储器管理系统采用一个32级先进先出(FIFO)缓冲器，可用于存储数据，从而将主机处理器负荷降至最低，并降低整体系统功耗。低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，从而以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量。ADXL345模块接口图如下图所示。

图3. ADXL345传感器引脚图

ADXL345模块内部电路图如下图所示。U2即为稳压芯片，实现5V直流电转化为3.3V直流电，C1-C4为滤波电容。R2、R3为上拉电阻，让信号输入更加稳定。D1为电源指示灯，R1为限流电阻，来保护LED灯D1。

图4. ADXL345传感电路原理图

No.5 脉搏心率传感电路设计

脉搏心率传感器是用来测试心跳速率的传感器，实质是一款集成了放大电路和噪声消除电路的光学心率传感器。可以通过此传感器开发出和心率有关的互动作品。传感器可以戴在手指或者耳垂上。

光电传感器将脉搏信号转换为电信号，此装置需要把手指放在传感器表盘上，光电传感器，此传感器是集成了放大电路和噪声消除电路的光学心率传感器，光电传感器一侧的发光二极管发光，当脉搏跳动时，指尖或者耳垂的动脉血管血容量发生周期性变化，透过指尖的光强度同时发生变化。另一侧的光电三极管将接收到的红外光信号转化为电信号。

为了方便单片机检测心率传感器的输出信号，选择LM393比较器将波形滤波一下，使传感器输出信号转换为标准方波信号，更利于单片机采集，保证了信号的稳定检测。

图5. 脉搏传感电路原理图

LM393比较器模块具体内部原理图如下图所示。其中R1电阻为分压电阻，将比较器模块检测到的模拟信息转化为模拟电压信号，模拟量信号接入LM393比较器后，即可与LM393比较器芯片2号引脚所接的电位器分压后的模拟电压进行比较，进而得出数字信号（即方波信号）。

C1、C2为滤波电容，C1电容对电源进行滤波，让电源输出更稳定。C2电容对模拟信号进行滤波，保证模拟信号输出的稳定性。R2、R3均为限流电阻，来保护LED灯，防止LED灯烧坏，LED灯均为低电平有效。R4为上拉电阻，上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，同时起限流作用。保证LM393输出的高低电平信号在与单片机引脚连接时电平信号的读取更加稳定。

图6. LM393比较器原理图

No.6 温度传感电路设计

DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

图7. DS18B20传感电路原理图

No.7 系统软件设计

本系统设计主要采用Keil uVision5软件编写与调试程序，程序语言采取易读性和移植性更高的C语言编写。系统运行流程图如下图所示。

图8. 软件处理程序流程图

在搭建调试平台后，需要对软件程序进行调试，若程序调试没有问题，接下来开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止。