移动手环的设计与实现

郭富祥 陆子清 王峥 徐忠超 戴耀威

摘要：步入21世纪以来，随着生活水平日益提高，人们对自身的健康更为关心。移动手环作为一种检测设备，一定程度上可以反映人体的健康状况，通过移动手环对运动状况、心率血压的检测，不但可以加强人们对自身健康的了解，预防问题的发生，也可以促使人们制定合理的运动计划，提高自身素质。

关键词：STM32F411;心率血压检测;计步;卡尔曼滤波算法

0引言

系统中加入了MPU6050计步芯片检测人步行中三个方向的加速度变化，通过对峰值的次数累加可得到用户步行步伐。本设计使用数字滤波器对计步产生的误差进行分析处理，并且使用卡尔曼滤波器算法进行仿真研究。移动手环采用OLED屏作为显示屏，通过SPI通信把检测到的数据显示出来。

1系统总体设计

作为整个移动手环系统的最为基础的部分，硬件电路的地位是十分重要的。本设计的移动手环系统的硬件电路构成部分如下：STM32F411芯片及按键电路、供电电路、OLED显示模块、MPU605计步模块、HP-6血压心率检测模块、SHT20温度检测模块。

1.1功能原理

本设计所包含的功能有计步功能，检测心率血压功能、检测温湿度功能等，所采用的主控芯片为意法半导体公司所生产的芯片STM32F411，所采用的心率检测模块为HP检测模块，测量原理为光点容积脉搏波描记法原理即发射端采用两个分立的绿光LED，接收端采用一个光电二极管，通过控制发射LED光，光照射到人的皮下组织，皮下的动脉血液和其他组织会吸收一部分的光，有一部分没被吸收的光会被反射回来，光电二极管根据心脏跳动引起动脉的舒张和收缩，动脉里的血液对反射光亮的影响，来推算出人的心率。

2系统硬件设计

2.1HP-6心率血压检测模块

HP-6模块是一款自带心率血压算法的检测模块，其通信方式完全遵照IIC通信协议，测量原理是PPG原理（光电容积描记原理），它是一种使用光电技术检测皮肤组织下心脏跳动引起血容量变化的方法。血容量的改变则体现了脉搏波的形状。

光源发射到皮肤表面，一部分被皮肤组织吸收和散射，未被吸收的光束的另一部分将最终通过皮肤表面重新进入空气。通过光检测设备检测皮肤表面未吸收的发光强度，从而形成PPG信号，光源产生的入射光经过皮肤后，被皮肤组织吸收一部分后，然后产生的反射光被接收器接收处理，最后得到我们想要的数据信号。

2.2MPU6050计步模块

MPU6050是一款加速度计和角速度计。它避免了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少其封装体积仅为4*4*0.9毫米。MPU6050采用不同的可编程测量精度，可以根据用户的实际需求然后对测量精度进行选择调整，以保证快速运动和慢速运动的精准性。加速度的量程为：±2g、±4g、±18g;角速度的量程为：±250、±500、±1000与±2000°/sec（dps）。

2.3OLED显示屏

OLED液晶屏为有机发光二极管，它同样具有自发光，不需背光源，对比度高、厚度薄、视角广反应速度快等优点，显示大小为132*64（像素点），OLED屏有6800，8080，SPI，IIC通信方式，通信方式的选择主要是通过对芯片引脚BS1和BS2设置来进行选择。

2.4电源电路设计

移动手环的供电电路采用的芯片为HT7533-1，采用CMOS工艺制造，低功耗的高压稳压器，最高输入电压可以达到12V，输出电压范围为2V-5V。当输入电压为5v时，输出电压为3.3V，其最小电压不小于3.201V，最大电压不大于3.339V。

2.5USB转串口电路的设计

USB转串口芯片CH340是一个USB总线适配器芯片，其功能是实现USB转串口。CH340芯片内部装有USB上拉电阻，当我们使用电源电压供电时，进行电路设计时需要给U8提供一个5v的电壓输入，还要给4号引脚连接一个104电容作为电源退耦电容。

3系统软件设计

VisualStudio 2017是对VisualStudio 2010的升级，它整合了互联网资源，云计算应用程序以及开源应用引擎等所有内容。通过VisualStudio 2017打造应用程序及服务，并将之部署到Azure。VisualStudio 2017不仅增强了程序的可视化功能，可以同时启动多个监视图，而且，它还重新设计了开发环境，对集成开发的可读性进行了很大提高。另外，VisualStudio 2017为了提高程序开发的效率以及准确性，它将程序代码进行了整合和简化，将一些繁杂的程序进行了删除处理，它还可以进行多窗口的同时查看处理，可以大大提高我们编写效率与程序的验证和及时性。

4总结与展望

4.1总结

通过硬件的调试与软件的测试后证明本设计移动手环的设计与实现所有的要求都是可以实现的，而且每一个模块都能稳定实现其功能也说明了我们对芯片选择的正确性，符合移动手环的基本要求。

本次完成了移动手环的设计，模块做的很小，PCB的制作上所有器件封装大小都在不影响性能的前提下封装，布线间距为7mil，OLED屏大大增大了移动手环的体积。

4.2展望

根据现在国内外的发展情况，移动手环未来的市场必将十分诱人，搭乘支付宝快速发展的便车，结合国民对自身健康的尤为关注，与健康产业，快捷支付等领域合作共赢，不断扩宽移动手环的技术水准。

移动手环也可以与医疗机构进行合作，用户感到不适就可以通过移动手环的上位机进行个人健康管理，防患于未然。