基于單片機的多功能健康檢測系統設計

朱洪浪　李林　曾陳萍　董加強　張耀方

摘要：本文以STM32F103單片機為控制芯片，利用MLX90614紅外測溫傳感器和MKB0805脈搏血壓傳感器設計了一款能夠實時檢測人體血壓、心率和體溫的多功能健康檢測系統。該系統由人體生理參數采集、數據分析處理、顯示數據三部分組成，實現了對人體生理參數的實時采集顯示和異常生理參數提醒的功能。

關鍵詞：健康檢測;多功能;STM32F103

中圖分類號：TP3? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）07-0244-02

隨著人們生活水平和質量的不斷提高，對自身健康狀況的關注度也愈來愈高，特別是日常的血壓、心率和體溫等生理指標對人體健康十分重要，同時這些生理指標的異常也是某些疾病的前期表現，因此對人體生理指標的日常監測技術開發就顯得尤其重要。

近年來，一些學者基于嵌入式技術開發的智能可穿戴設備不僅可以實現對人體生理指標的實時采集，還能對人體異常生理指標進行提醒。如吳健健等人[1]通過壓電傳感器采集睡眠心率變化，經單片機分析后能夠判斷人的心血管健康狀態，從而預警突發疾病。熊強強等人[2]基于STM32F103單片機設計了一款智能型腕帶式心率檢測儀。武智曉等人[3]通過對90例心動過緩患者的心率水平與血壓水平的相關性進行了研究，發現血壓與心率有一定的相關性。曾波等人[4]基于灰色系統建模技術實現了人體疾病早期預測預警。上述研究均實現了單一生理指標的采集及疾病預測，但這些研究并未對血壓、心率和體溫等多生理指標進行實時檢測。因此，探索一種能夠實時檢測人體血壓、心率和體溫的多功能健康檢測系統，具有十分重要的研究意義和實用價值。

本文設計的多功能健康檢測系統采用了低功耗的STM32F103處理芯片，外圍功能模塊包括人體生理參數采集、數據分析處理、顯示數據三個部分，實現了對人體體溫、心率、血壓多種生理指標的實時檢測顯示及報警，提高了人們對自身健康狀態的知曉度，該系統同時也方便了用戶隨時隨地地對自身進行檢查，及時了解自身的健康狀況。

1 方案設計

本健康檢測系統采用模塊化設計法，以STM32F103核心芯片為信息運算處理核心，主要包括體溫模塊、心率血壓模塊、按鍵模塊、OLED顯示模塊、報警模塊，如圖1所示。其中，體溫模塊采用MLX90614紅外測溫傳感器采集人體體溫，經放大電路將采集到的微弱溫度信號放大后，由ADC0832轉換后給STM32F103單片機，單片機處理后，將體溫信息顯示在OLED顯示屏上。心率血壓模塊采用MKB0805脈搏血壓傳感器采集人體心率值和血壓值，濾去高頻噪聲信號后，將微弱的心率信號和微弱的血壓信號進行放大傳輸給STM32F103單片機，單片機將心率值、血壓值處理后顯示在OLED顯示屏上。按鍵模塊設置了三種按鍵：選擇按鍵、確定按鍵、返回按鍵，選擇按鍵可以對測量功能，如測量體溫、測量心率、測量血壓進行選擇;確定按鍵確定選擇的測量功能，并進入該指標測量顯示界面;返回按鍵返回上一功能界面。報警模塊采用蜂鳴器和LED進行聲光報警，以提醒用戶當前測量指標異常。如體溫（36.0～37.4℃正常、37.4～38.0℃低熱、38.1～41.0℃高熱）、心率40～60次/min過緩、60～100次/min正常、100～140次/min過速）、血壓（高壓：收縮壓140mmHg以上，舒張壓90mmHg以上;低壓：收縮壓90mmHg以下，舒張壓60mmHg以下），這些指標參數不在設定正常的上下限范圍之內時，通過STM32F103單片機控制蜂鳴器鳴叫，同時LED燈被點亮，以達到提醒的效果。根據不同年齡端、不同性別的用戶，可以設置正常值上下限范圍，可以更好地滿足不同用戶需求。

2 硬件系統設計

基于STM32F103單片機的多功能健康檢測系統原理圖，如圖2所示。

如圖2，紅外測溫模塊和心率血壓模塊所需工作電壓不同，分別連接VCC-3.3（3.3V）和VCC（5V）。紅外測溫模塊的MLX-SCL和MLX-SDA管腳分別連接核心板STM32F103的IO口PA8和PA9。心率血壓模塊的接收數據MBK-RX和發送數據MBK-TX分別連接核心板STM32F103的IO口PA2和PA3。MBK0805和MLX90614使用的通信方式分別是串口通信和I2C通信。在MBK0805的通信協議中規定一幀數據為6個字節，所以程序中要循環6次才能接收/發送一幀數據。在模塊開始進行監測后，使用一個信號量來循環訪問臨界資源是否到達。在第一組臨界資源到達時，通過對收到的第一個字節進行判斷，是否是讀取數據的格式報文。如果第一個字節FD，即連續解析第2字節到第4字節的值，分別對應為高壓值（High）、低壓值（Low）、心率值（XinLv）。如圖3所示，采集到的高壓值為High：118mmHg、低壓值Low：70mmHg、心率值XinLv：79次/min。當前測量的高壓值在90～140mmHg，因此屬于正常范圍，不需要進行報警;當前測量的低壓值在60～90mmHg，因此也屬于正常范圍，不需要進行報警;當前測量的心率值在60～100次/min，因此也屬于正常范圍，不需要進行報警。功能按鍵模塊中S1為選擇按鍵、S2為確定按鍵、S3為返回按鍵。

3 軟件系統設計

基于STM32F103單片機的多功能健康檢測系統軟件流程圖如4所示：

多功能健康檢測系統的軟件設計是利用STM32F103移植的UCOS3操作系統進行多任務軟件開發。本次軟件設計包括三個主要任務模塊：

1）MBK0805心率血壓模塊：負責采集測量人體心率值、血壓值兩個生理參數，將數據傳給STM32F103中的MCU進行處理;

2）MLX90614紅外測溫模塊：負責測量人體體溫值，將數據傳給STM32F103中的MCU進行處理;

3）OLED數據顯示模塊：負責將MCU處理后的數據進行顯示，方便用戶進行查看;

4）功能按鍵模塊：負責功能選擇，分別有選擇、確定、返回三個按鍵。

如圖4所示，在對STM32F103、OLED和串口2進行初始化之后，系統啟動也就完成，則之后就可以在初始菜單界面，通過選擇功能按鍵對測量功能進行選擇，如選擇體溫或者心率、血壓的測量功能。被測量采集到之后，就可以通過返回功能按鍵，返回到菜單欄進行其他功能的選擇。在測量體溫時，體溫值偏高或者偏低，經過STM32F103單片機的MCU處理之后會在OLED顯示屏上顯示相應體溫值和提示信息;在測量心率值、血壓值時，血壓又分為高壓和低壓，OLED顯示屏上會一次顯示出高壓值、低壓值、心率值的測量值。

4 結語

本文基于STM32F103單片機的多功能健康檢測系統設計提出了一個模塊化的設計方案，該多功能健康檢測系統主要由體溫、心率和血壓、顯示模塊組成。通過STM32F103單片機將體溫、心率、血壓等多種指標參數集成在一起并進行顯示，實現了對人體生理參數的實時采集顯示和異常生理參數提醒的功能，進一步幫助人們及時掌握個人身體健康狀況，對疾病進行早發現早預防。主要功能包括：

1）通過按鍵可以選擇對應的檢測指標，如選擇測體溫或者心率和血壓;

2）選擇體溫檢測時，通過紅外測溫的方式，測得人體體溫，并將體溫信息顯示在OLED顯示屏上;

3）選擇心率和血壓檢測時，將心率血壓傳感器綁在手腕上進行檢測，經過測量，隨即在OLED顯示上顯示出對應的血壓值和心率值信息。

參考文獻：

[1] 吳健健，陳韋晉，章婷婷，等.基于智能床墊的心率檢測系統[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2020， 43（3）：330-334，388.

[2] 熊強強，尹建平，姚衛國，等.一種智能型腕帶式心率檢測儀的設計與實現[J].國外電子測量技術，2020，39（2）：88-92.

[3] 武智曉，黎明江，張靜，等.心動過緩患者心率水平與血壓水平相關性研究[J].海南醫學，2012（7）：32-34.

[4] 曾波，劉思峰，白云，等.基于灰色系統建模技術的人體疾病早期預測預警研究[J].中國管理科學，2020，28（1）：144-152.

【通聯編輯：張薇】