基于STM32的智能手环设计（全部资料）

基于STM32的智能手环设计（全部资料）

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_58404700/article/details/146107899

随着科技的不断发展，智能手环作为一种可穿戴设备，在健康监测和日常活动追踪中发挥着越来越重要的作用。本文设计了一款基于STM32单片机的智能手环，通过集成多种传感器和功能模块，实现了心率、血氧、体温、室温检测，以及计步、时间显示、声光报警等功能。同时，该手环还支持通过安卓蓝牙传输进行远程操作和控制。本文详细介绍了智能手环的设计背景、系统方案设计、主要功能模块电路设计以及软件实现，展示了其在健康监测和日常活动追踪中的重要作用。

一、引言

随着可穿戴设备的日益普及，智能手环已成为人们健康监测和日常活动追踪的重要工具。智能手环不仅具有轻便、易携带的特点，还能实时监测用户的各项生理指标，提供准确的健康数据。因此，设计一款功能全面、性能稳定的智能手环具有重要意义。

二、设计背景

随着科技与时代的不断进步，电子感应与加速计技术逐渐取代了传统技术，智能手环应运而生。智能手环集合了计步、心率监测、体温检测、跌倒报警及定位检测等多种功能，不仅提高了人们的健康意识，还在一定程度上保障了人们的生命安全。然而，市场上现有的智能手环在功能集成、性能稳定性以及用户体验等方面仍存在一些不足。因此，本文设计了一款基于STM32单片机的智能手环，旨在提高手环的功能性和稳定性，为用户提供更好的使用体验。

三、系统方案设计

3.1 系统总体架构

本系统主要由STM32单片机、传感器模块、显示模块、报警模块、无线通信模块以及电源模块等组成。STM32单片机作为主控制器，负责数据采集、处理和显示；传感器模块包括心率传感器、血氧传感器、温度传感器等，用于采集用户的生理数据；显示模块采用OLED液晶显示屏，用于实时显示时间、心率、血氧、体温等信息；报警模块包括蜂鸣器和LED指示灯，用于在异常情况下进行声光报警；无线通信模块采用蓝牙模块，实现手环与安卓手机的无线通信；电源模块为整个系统提供稳定的电源供应。

3.2 主要功能模块设计

3.2.1 心率与血氧检测模块

心率与血氧检测模块采用MAX30102传感器。MAX30102是一种集成了光学模块和信号处理模块的传感器，利用光吸收法检测心率和血氧浓度。当光穿过人体组织时，不同的血液成分对光的吸收率不同，传感器通过测量反射或透射光的强度变化计算出心率和血氧浓度。该传感器通过I2C总线与STM32单片机进行通信，实现数据的读取和处理。

3.2.2 体温与室温检测模块

体温与室温检测模块采用DS18B20温度传感器。DS18B20是一种数字温度传感器，内部集成了温度采集和数字信号转换电路。它基于半导体温度效应，通过测量二极管压降随温度的变化来获取温度数据，并通过单总线协议与STM32进行通信。该传感器能够实时监测用户的体温和室温，并将数据发送给STM32单片机进行处理和显示。

3.2.3 显示模块

显示模块采用OLED液晶显示屏。OLED（Organic Light Emitting Diode）显示屏具有功耗低、响应速度快、宽视角、轻薄柔韧等特点。本系统选用0.96寸OLED模块，通过I2C总线与STM32单片机进行通信，实现数据的实时显示。显示屏上可以显示时间、心率、血氧、体温等信息，方便用户随时查看。

3.2.4 报警模块

报警模块包括蜂鸣器和LED指示灯。当检测到用户的心率、血氧或体温等生理数据超出预设范围时，蜂鸣器会发出报警声，同时LED指示灯会闪烁，以提醒用户注意。

3.2.5 无线通信模块

无线通信模块采用ESP8266蓝牙模块。ESP8266模块可以实现手环与安卓手机的无线通信，将手环采集的数据发送到手机端进行显示和提醒。用户可以通过手机APP查看手环采集的各项数据，并进行相应的设置和控制。

3.2.6 电源模块

电源模块为整个系统提供稳定的电源供应。本系统采用直流5V供电，电源模块包括一个3脚的电源座子和6脚的电源开关。电源座子用于连接外部的电源插头，电源开关用于控制整个单片机的电路开和关。

四、主要功能模块电路设计

4.1 心率与血氧传感器电路

MAX30102心率与血氧传感器模块通过I2C总线与STM32单片机进行通信。在电路设计中，需要将传感器的SDA（数据）和SCL（时钟）引脚分别连接到STM32单片机的GPIO口上，以实现数据的读取和处理。同时，还需要为传感器提供稳定的电源供应和接地。

4.2 温度传感器电路

DS18B20温度传感器模块同样通过单总线协议与STM32单片机进行通信。在电路设计中，需要将传感器的DQ（数据）引脚连接到STM32单片机的GPIO口上，以实现数据的读取。同时，还需要为传感器提供稳定的电源供应和接地。

4.3 OLED液晶显示屏电路

OLED液晶显示屏通过I2C总线与STM32单片机进行通信。在电路设计中，需要将显示屏的VCC（电源）、GND（接地）、SDA（数据）和SCL（时钟）引脚分别连接到STM32单片机的相应引脚上。同时，还需要为显示屏提供稳定的电源供应。

4.4 报警模块电路

报警模块包括蜂鸣器和LED指示灯。在电路设计中，需要将蜂鸣器的正极和LED指示灯的正极分别连接到STM32单片机的GPIO口上，负极则共同接地。当单片机检测到异常情况时，会通过控制GPIO口的电平来驱动蜂鸣器和LED指示灯进行声光报警。

4.5 无线通信模块电路

ESP8266蓝牙模块通过串口通信与STM32单片机进行数据传输。在电路设计中，需要将模块的TXD（发送）和RXD（接收）引脚分别连接到STM32单片机的RXD和TXD引脚上，以实现数据的双向传输。同时，还需要为模块提供稳定的电源供应和接地。

五、软件实现

5.1 主程序设计

主程序主要负责初始化各个功能模块、设置定时器中断、循环读取传感器数据并处理、更新显示内容以及处理按键输入等。在主程序中，首先需要对STM32单片机进行初始化设置，包括时钟配置、GPIO口配置、I2C总线配置、串口通信配置等。然后，设置定时器中断，用于定时读取传感器数据并处理。在主循环中，不断读取传感器数据并更新显示内容，同时处理按键输入以调整检测数据的上下限或进行其他设置。

5.2 传感器数据采集与处理

传感器数据采集与处理是智能手环的核心功能之一。本系统通过I2C总线和单总线协议分别读取心率与血氧传感器和温度传感器的数据。在数据采集过程中，需要注意数据的准确性和稳定性。为了提高数据的准确性，可以采用滤波算法对原始数据进行处理。同时，为了保证数据的稳定性，可以采用多次读取并取平均值的方法。

5.3 OLED液晶显示屏驱动

OLED液晶显示屏的驱动是智能手环显示功能的关键。本系统采用I2C总线驱动OLED液晶显示屏。在驱动过程中，需要初始化显示屏、设置显示区域、定义字符集等。然后，通过向显示屏发送数据来更新显示内容。为了提高显示效果和降低功耗，可以采用局部刷新和动态调整亮度等方法。

5.4 报警模块控制

报警模块的控制是智能手环安全功能的重要组成部分。本系统通过检测传感器数据来判断是否需要触发报警。当检测到用户的心率、血氧或体温等生理数据超出预设范围时，会立即触发报警模块进行声光报警。同时，还可以通过无线通信模块将报警信息发送到手机端进行提醒。

5.5 无线通信模块控制

无线通信模块的控制是智能手环与安卓手机进行数据传输的关键。本系统采用ESP8266蓝牙模块实现手环与手机端的无线通信。在通信过程中，需要建立连接、发送数据并接收反馈。为了提高通信的稳定性和可靠性，可以采用重连机制和数据校验等方法。

5.6 按键输入处理

按键输入处理是智能手环用户交互功能的重要组成部分。本系统通过检测按键的按下和释放来判断用户的输入意图。在按键输入处理过程中，需要注意按键的去抖动处理和按键功能的实现。为了提高用户体验和操作的便捷性，可以采用长按和短按等不同的按键操作方式。

六、实验结果与分析

6.1 实验设置

为了验证智能手环的各项功能是否正常工作，需要进行一系列的实验测试。在实验测试中，首先需要对手环进行初始化设置，包括时间校准、传感器校准等。然后，分别测试手环的心率监测

#include "myiic.h"
#include "delay.h"

// 初始化IIC
void IIC_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // RCC->APB2ENR|=1<<4;//先使能外设IO PORTC时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    IIC_SCL = 1;
    IIC_SDA = 1;
}

// 产生IIC起始信号
void IIC_Start(void)
{
    SDA_OUT();     // sda线输出
    IIC_SDA = 1;
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(4);
    IIC_SDA = 0;   // START:when CLK is high,DATA change form high to low
    delay_us(4);
    IIC_SCL = 0;   // 钳住I2C总线，准备发送或接收数据
}

// 产生IIC停止信号
void IIC_Stop(void)
{
    SDA_OUT();     // sda线输出
    IIC_SCL = 0;
    IIC_SDA = 0;   // STOP:when CLK is high DATA change form low to high
    delay_us(4);
    IIC_SCL = 1;
    IIC_SDA = 1;   // 发送I2C总线结束信号
    delay_us(4);
}

// 等待应答信号到来
// 返回值：1，接收应答失败
//        0，接收应答成功
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
    u8 ucErrTime = 0;
    SDA_IN();      // SDA设置为输入
    IIC_SDA = 1;
    delay_us(1);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(1);
    while (READ_SDA)
    {
        ucErrTime++;
        if (ucErrTime > 250)
        {
            IIC_Stop();
            return 1;
        }
    }
    IIC_SCL = 0;   // 时钟输出0
    return 0;
}

// 产生ACK应答
void IIC_Ack(void)
{
    IIC_SCL = 0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA = 0;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 0;
}

// 不产生ACK应答
void IIC_NAck(void)
{
    IIC_SCL = 0;
    SDA_OUT();
    IIC_SDA = 1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 1;
    delay_us(2);
    IIC_SCL = 0;
}

// IIC发送一个字节
// 返回从机有无应答
// 1，有应答
// 0，无应答
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
    u8 t;
    SDA_OUT();
    IIC_SCL = 0;   // 拉低时钟开始数据传输
    for (t = 0; t < 8; t++)
    {
        IIC_SDA = (txd & 0x80) >> 7;
        txd <<= 1;
        delay_us(2);   // 对TEA5767这三个延时都是必须的
        IIC_SCL = 1;
        delay_us(2);
        IIC_SCL = 0;
        delay_us(2);
    }
}

// 读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送nACK
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
    unsigned char i, receive = 0;
    SDA_IN();     // SDA设置为输入
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        IIC_SCL = 0;
        delay_us(2);
        IIC_SCL = 1;
        receive <<= 1;
        if (READ_SDA)
            receive++;
        delay_us(1);
    }
    if (!ack)
        IIC_NAck();    // 发送nACK
    else
        IIC_Ack();     // 发送ACK
    return receive;
}

void IIC_WriteBytes(u8 WriteAddr, u8* data, u8 dataLength)
{
    u8 i;
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(WriteAddr);    // 发送写命令
    IIC_Wait_Ack();

    for (i = 0; i < dataLength; i++)
    {
        IIC_Send_Byte(data[i]);
        IIC_Wait_Ack();
    }
    IIC_Stop();  // 产生一个停止条件
    delay_ms(10);
}

void IIC_ReadBytes(u8 deviceAddr, u8 writeAddr, u8* data, u8 dataLength)
{
    u8 i;
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(deviceAddr);    // 发送写命令
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte(writeAddr);
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte(deviceAddr | 0X01);    // 进入接收模式
    IIC_Wait_Ack();

    for (i = 0; i < dataLength - 1; i++)
    {
        data[i] = IIC_Read_Byte(1);
    }
    data[dataLength - 1] = IIC_Read_Byte(0);
    IIC_Stop();  // 产生一个停止条件
    delay_ms(10);
}

void IIC_Read_One_Byte(u8 daddr, u8 addr, u8* data)
{
    IIC_Start();

    IIC_Send_Byte(daddr);    // 发送写命令
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte(addr);     // 发送地址
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte(daddr | 0X01);    // 进入接收模式
    IIC_Wait_Ack();
    *data = IIC_Read_Byte(0);
    IIC_Stop();  // 产生一个停止条件
}

void IIC_Write_One_Byte(u8 daddr, u8 addr, u8 data)
{
    IIC_Start();

    IIC_Send_Byte(daddr);    // 发送写命令
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte(addr);     // 发送地址
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Send_Byte(data);     // 发送字节
    IIC_Wait_Ack();
    IIC_Stop();  // 产生一个停止条件
    delay_ms(10);
}