移動手環的設計與實現

郭富祥 陸子清 王崢 徐忠超 戴耀威

摘要：步入21世紀以來，隨著生活水平日益提高，人們對自身的健康更為關心。移動手環作為一種檢測設備，一定程度上可以反映人體的健康狀況，通過移動手環對運動狀況、心率血壓的檢測，不但可以加強人們對自身健康的了解，預防問題的發生，也可以促使人們制定合理的運動計劃，提高自身素質。

關鍵詞：STM32F411;心率血壓檢測;計步;卡爾曼濾波算法

0引言

系統中加入了MPU6050計步芯片檢測人步行中三個方向的加速度變化，通過對峰值的次數累加可得到用戶步行步伐。本設計使用數字濾波器對計步產生的誤差進行分析處理，并且使用卡爾曼濾波器算法進行仿真研究。移動手環采用OLED屏作為顯示屏，通過SPI通信把檢測到的數據顯示出來。

1系統總體設計

作為整個移動手環系統的最為基礎的部分，硬件電路的地位是十分重要的。本設計的移動手環系統的硬件電路構成部分如下：STM32F411芯片及按鍵電路、供電電路、OLED顯示模塊、MPU605計步模塊、HP-6血壓心率檢測模塊、SHT20溫度檢測模塊。

1.1功能原理

本設計所包含的功能有計步功能，檢測心率血壓功能、檢測溫濕度功能等，所采用的主控芯片為意法半導體公司所生產的芯片STM32F411，所采用的心率檢測模塊為HP檢測模塊，測量原理為光點容積脈搏波描記法原理即發射端采用兩個分立的綠光LED，接收端采用一個光電二極管，通過控制發射LED光，光照射到人的皮下組織，皮下的動脈血液和其他組織會吸收一部分的光，有一部分沒被吸收的光會被反射回來，光電二極管根據心臟跳動引起動脈的舒張和收縮，動脈里的血液對反射光亮的影響，來推算出人的心率。

2系統硬件設計

2.1HP-6心率血壓檢測模塊

HP-6模塊是一款自帶心率血壓算法的檢測模塊，其通信方式完全遵照IIC通信協議，測量原理是PPG原理（光電容積描記原理），它是一種使用光電技術檢測皮膚組織下心臟跳動引起血容量變化的方法。血容量的改變則體現了脈搏波的形狀。

光源發射到皮膚表面，一部分被皮膚組織吸收和散射，未被吸收的光束的另一部分將最終通過皮膚表面重新進入空氣。通過光檢測設備檢測皮膚表面未吸收的發光強度，從而形成PPG信號，光源產生的入射光經過皮膚后，被皮膚組織吸收一部分后，然后產生的反射光被接收器接收處理，最后得到我們想要的數據信號。

2.2MPU6050計步模塊

MPU6050是一款加速度計和角速度計。它避免了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少其封裝體積僅為4*4*0.9毫米。MPU6050采用不同的可編程測量精度，可以根據用戶的實際需求然后對測量精度進行選擇調整，以保證快速運動和慢速運動的精準性。加速度的量程為：±2g、±4g、±18g;角速度的量程為：±250、±500、±1000與±2000°/sec（dps）。

2.3OLED顯示屏

OLED液晶屏為有機發光二極管，它同樣具有自發光，不需背光源，對比度高、厚度薄、視角廣反應速度快等優點，顯示大小為132*64（像素點），OLED屏有6800，8080，SPI，IIC通信方式，通信方式的選擇主要是通過對芯片引腳BS1和BS2設置來進行選擇。

2.4電源電路設計

移動手環的供電電路采用的芯片為HT7533-1，采用CMOS工藝制造，低功耗的高壓穩壓器，最高輸入電壓可以達到12V，輸出電壓范圍為2V-5V。當輸入電壓為5v時，輸出電壓為3.3V，其最小電壓不小于3.201V，最大電壓不大于3.339V。

2.5USB轉串口電路的設計

USB轉串口芯片CH340是一個USB總線適配器芯片，其功能是實現USB轉串口。CH340芯片內部裝有USB上拉電阻，當我們使用電源電壓供電時，進行電路設計時需要給U8提供一個5v的電壓輸入，還要給4號引腳連接一個104電容作為電源退耦電容。

3系統軟件設計

VisualStudio 2017是對VisualStudio 2010的升級，它整合了互聯網資源，云計算應用程序以及開源應用引擎等所有內容。通過VisualStudio 2017打造應用程序及服務，并將之部署到Azure。VisualStudio 2017不僅增強了程序的可視化功能，可以同時啟動多個監視圖，而且，它還重新設計了開發環境，對集成開發的可讀性進行了很大提高。另外，VisualStudio 2017為了提高程序開發的效率以及準確性，它將程序代碼進行了整合和簡化，將一些繁雜的程序進行了刪除處理，它還可以進行多窗口的同時查看處理，可以大大提高我們編寫效率與程序的驗證和及時性。

4總結與展望

4.1總結

通過硬件的調試與軟件的測試后證明本設計移動手環的設計與實現所有的要求都是可以實現的，而且每一個模塊都能穩定實現其功能也說明了我們對芯片選擇的正確性，符合移動手環的基本要求。

本次完成了移動手環的設計，模塊做的很小，PCB的制作上所有器件封裝大小都在不影響性能的前提下封裝，布線間距為7mil，OLED屏大大增大了移動手環的體積。

4.2展望

根據現在國內外的發展情況，移動手環未來的市場必將十分誘人，搭乘支付寶快速發展的便車，結合國民對自身健康的尤為關注，與健康產業，快捷支付等領域合作共贏，不斷擴寬移動手環的技術水準。

移動手環也可以與醫療機構進行合作，用戶感到不適就可以通過移動手環的上位機進行個人健康管理，防患于未然。