基于 STM32F103C8T6 單片機的多功能智能手表設(shè)計

引 言

體溫是機體不斷新陳代謝的結(jié)果，同時體溫又是機體功能活動正常進行的重要保障。在正常情況下，人體溫度不隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，保持在 37 ℃左右。但是當(dāng)人體內(nèi)的某些機能發(fā)生變化或某些部位產(chǎn)生病變時，恒定的體溫將會發(fā)生改變。在臨床醫(yī)學(xué)中，體溫是一個重要的生理參數(shù)，病人的體溫為醫(yī)生提供了了解生理狀況的重要信息，同時還可以對某些重大疾病或隱藏于身體內(nèi)部的健康問題起到積極的預(yù)防和警示作用 [1]。所以人們需要并有必要實時了解自身的體溫狀況，使自己的體溫維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

針對人們對自身體溫實時監(jiān)測的需求，本文設(shè)計了一個擁有 128×64 大小 OLED 顯示屏的智能多功能手表，主要采用 STM32F103C8T6 單片機作為系統(tǒng)主控單元，將德州儀器設(shè)計生產(chǎn)的 TMP100 作為溫度采集傳感器。該手表可實時記錄采集的數(shù)據(jù)與每日運動量，并對人體溫度進行實時監(jiān)控。當(dāng)用戶獲得自身的健康數(shù)據(jù)后便可以采取相應(yīng)措施使自己保持健康的狀態(tài)。在這基礎(chǔ)之上，本文采用更低功耗的主控芯片與外圍器件，提高設(shè)備的續(xù)航能力，優(yōu)化用戶操作界面， 使設(shè)備能真正運用到生活中，為實時健康監(jiān)測提供可能。

1 系統(tǒng)功能介紹

本文設(shè)計的智能手表主要具有時鐘功能、體溫實時檢測功能和計步功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

(1) 在時鐘功能界面下，用戶可以選擇手動校準時間。

(2) 在體溫檢測功能界面下，用戶可以查看此刻自身的體溫，也可以查看當(dāng)天自身體溫的變化情況。

(3) 在計步功能界面下，用戶可以查看當(dāng)天的累計步數(shù)，了解自身運動量。

圖 1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

此外，用戶在使用設(shè)備的過程中一旦體溫下降或者上升， 低于或超過閾值，則系統(tǒng)會向用戶發(fā)出警告，提醒用戶此刻體溫處于非正常狀態(tài)，用戶可根據(jù)自身情況及時處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件組成及原理

多功能智能手表系統(tǒng)硬件主要由電源管理模塊、主控芯片模塊、溫度傳感器模塊、加速度傳感器模塊和 OLED 液晶顯示器與按鍵組成，硬件系統(tǒng)的組成及連接關(guān)系如圖 2 所示。電源管理模塊將不穩(wěn)定的電池電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的 3.3 V 穩(wěn)定電壓，并輸送給各個模塊。主控芯片從溫度傳感器和加速度傳感器獲取采集數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行算法處理，最終通過人機交互模塊顯示出來。

2.2 系統(tǒng)主要硬件模塊設(shè)計

STM32F103C8T6 是一款基于 ARM 32 位 Cortext M3 內(nèi)核的單片機，具有 2.0 ～ 3.6 V 的寬電壓供電范圍，CPU 工作頻率最大可達 72 MHz，具有單周期乘法指令和硬件除法功能，以及優(yōu)先級可編程的中斷系統(tǒng) [2]。同時它還具有 64 KB 的 FLASH 存儲器與 20 KB 的 SRAM 存儲器， 集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門狗，定時器，GPIO 口，DMA 控制器， ADC，UART，SPI 接口，I2C 接口等，具有成本低、速度快、性價比高等優(yōu)點 [3]。

圖 2 系統(tǒng)硬件框圖

人體溫度采集傳感器采用德州儀器生產(chǎn)的 TMP100。TMP100 是一個 SOT23-6 封裝的兩線串行輸出溫度傳感器， 無需其他元器件，精度可達 0.062 5 ℃。此外 TMP100 具有系統(tǒng)管理總線以及 I2C 接口的兼容性，可在總線上掛載 8 個設(shè)備。工作溫度為 -55 ～ 125 ℃，測量精度可通過程序編程選擇。TMP100 的器件地址由 ADD0 和 ADD12 個引腳決定， 引腳輸入與器件地址的關(guān)系見表 1 所列。根據(jù)設(shè)計原理與圖中 ADD0 和 ADD1 引腳接地可知，TMP100 的器件地址應(yīng)為0x48。

加速度傳感器模塊采用飛思卡爾，這是一款比較新的MMA8452 加速度傳感器。飛思卡爾是具有 12 位分辨率的智能低功耗、三軸、電容式微機械加速度傳感器，其主要特性如下 ：

可以感受 X，Y，Z三個自由度的加速度信號，全方位感知人體運動信息。

具有 ±2g/±4g/±8g的可選量 程。 傳感器的靈敏度在 ±2g量程時為 1024個數(shù)字 /g， 靈敏度精度為±2.5％。

采集的加速度數(shù)據(jù)可以通過傳感器內(nèi)部的高通濾波器實時輸出，濾波器的截止頻率可以通過軟件設(shè)置，也可以不經(jīng)過濾波器直接輸出。輸出信號被轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字量信號， 經(jīng)I2C接口輸出，輸出數(shù)據(jù)速率在1.25～800 Hz之間，可調(diào)[4]。電源管理芯片采用德州儀器設(shè)計生產(chǎn)的 TPS79333，其具有超低噪聲、高 PSRR、快速射頻、高電平啟用的 200 mA低壓降穩(wěn)壓器，可將 3.7 ～ 5 V 的電源電壓穩(wěn)定在 3.3 V，具有體積小、效率高、噪聲小等特點 [5-7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序主框架搭建

本文設(shè)計采用主循環(huán)和定時器中斷相結(jié)合的運行框架。主循環(huán)中實現(xiàn) OLED 顯示功能。定時器可定時對溫度、加速度傳感器進行數(shù)據(jù)采集和算法處理。程序主框架如圖 3 所示。

圖 3 程序主框架圖

時鐘功能設(shè)計與實現(xiàn)

時鐘模塊主要以定時器中斷為主，打開一個定時器中斷， 中斷時間為0.1 s，累計600 次加1 分鐘，累計60 分鐘加1 小時，效果如圖 4 所示。

圖 4 時鐘界面圖

3.3 體溫監(jiān)測功能設(shè)計與實現(xiàn)

TSP100 溫度傳感器是一款數(shù)字傳感器，為 I2C 通信方式。ADD0 和 ADD1 同時接地，查表可知，器件地址為 0x90，初始化STM32F103C8T6 的I2C 后就可得到TSP100 采集的數(shù)據(jù)。相比其他等價傳感器，TSP100 溫度傳感器的精度較高，但也會因為環(huán)境等因素產(chǎn)生一些噪音（噪音可控），本文采用中位值濾波解決該問題。體溫檢測界面效果如圖 5 所示。

圖 5 測溫界面圖

3.4 記步功能設(shè)計與實現(xiàn)

MMA8452 加速度傳感器是一款數(shù)字輸出傳感器，與采集溫度的方式相同，不同之處在于加速度傳感器是慣性傳感器，在靜態(tài)狀態(tài)下能表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，但運動后其數(shù)據(jù)變化較大。如果將處于運動中的加速度計的返回值以時間為X 軸，值為 Y 軸，靜態(tài)時會呈現(xiàn)一條平滑的曲線，運動時將會是雜亂無章的噪點，所以對加速度傳感器的采集值進行濾波十分必要。本文設(shè)計采用低通濾波和防脈沖干擾平均濾波相結(jié)合的方式 [8-12]。

當(dāng)對加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理后，默認當(dāng)前獲得的數(shù)值即實際數(shù)值，之后對數(shù)據(jù)進行分析，使之轉(zhuǎn)化為需要的步數(shù)。據(jù)研究，距離、速度、加速度等都可以作為描述人體行走狀態(tài)的參數(shù)。近年來，由于 MEMS 加速度傳感器的快速發(fā)展和其優(yōu)越特性，被廣泛用于人體運動檢測。行走時腳、腿、腰、手臂都在運動，會產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，垂直方向的加速度信號變化最大。人行走的過程分析 ：腳蹬地離開地面是一步的開始，此時由于地面的反作用力，垂直加速度開始增大，身體重心上移，當(dāng)腳要達到最高位置時垂直加速度達到最大，然后腳向下運動，垂直加速度開始減小，直至腳著地，加速度減小至最小值，接著下一次邁步發(fā)生。利用腰部的垂直加速度來檢測步數(shù)是可行的，通過對加速度的峰值檢測可以得到行走的步數(shù) [13-15]。

一對連續(xù)的波峰和波谷代表了人體行走的一步，本文采用統(tǒng)計波峰的方法來統(tǒng)計步數(shù)。由于人體運動一般不會超過5 步 /s，即在 1 s 內(nèi)理論上不會出現(xiàn)多于 5 個波峰，連續(xù)兩個波峰之間的時間差也不會小于0.2 s。設(shè)定采樣頻率為50次/s，記錄采樣時間 t 和 Z 軸的加速度信息 Acc。如果一個點的 Acc值比前后各兩次采樣值都大，則視為一個極大值并將該信息與前一個極值的時間差 Δt 及 Acc 值存入一個二維鏈表。時間差 Δt 代表兩個假定步伐之間的時間差，如果 Δt 小于 0.2 s，則將兩個極大值中 Acc 較小者視為采樣噪點，從二維鏈表中去掉，并將剩下的數(shù)據(jù)重新與鏈表中前一記錄比較，大于0.2 s 且 Acc 值比前后 Acc 值都小 20% 或者更多，也視為噪點去掉。剩下的極大值就確定為一個有效步伐 [10]。最后系統(tǒng)可獲得比較精準的計步結(jié)果，如圖 6 所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一個可實現(xiàn)對人體溫度實時監(jiān)測、運動步數(shù)實時統(tǒng)計的智能可穿戴多功能手表。通過理論與實踐的結(jié)合，從硬件實現(xiàn)與軟件實現(xiàn)切入，清晰展現(xiàn)了軟硬件的設(shè)計流程，并提供了解決辦法。從實現(xiàn)結(jié)果可以看出，本文的設(shè)計方案可行，能實現(xiàn)對人體溫度的實時監(jiān)控和對個人每日運動量的實時記錄，當(dāng)體溫處于不正常數(shù)據(jù)值時，智能手表又能給出相應(yīng)的提示警告，從而方便用戶根據(jù)獲取的體溫及運動數(shù)據(jù)對自身的健康狀況及時做出處理。