基于STM32单片机智能手环脉搏心率计步器体温显示设计

点灯师

1245人浏览 · 2025-09-28 20:43:15

点灯师 · 2025-09-28 20:43:15 发布

1、系统功能介绍

本设计题目为基于STM32单片机智能手环脉搏心率计步器体温显示设计，它是一款集运动监测与健康监测于一体的嵌入式系统。随着人们健康意识的不断增强，智能手环类设备成为日常生活中的重要工具。本系统以STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，结合ADXL345加速度传感器、心率传感器、温度传感器以及LCD1602显示模块，能够实时采集和处理运动与健康相关数据，并直观地在液晶屏上显示结果。

系统实现的主要功能如下：

运动监测功能：通过ADXL345加速度传感器采集人体运动状态信息，计算出走路步数、行走距离以及平均速度，帮助用户了解运动情况。
心率监测功能：利用心率传感器实时采集脉搏信号，并通过单片机进行数据处理，得到每分钟的心率值，辅助用户关注心脏健康。
体温检测功能：通过温度传感器实时检测人体温度，提供基础健康数据，帮助用户及时发现异常。
数据显示功能：采用LCD1602显示屏，实时显示步数、行走距离、平均速度、心率值和体温值，信息简洁明了。

本系统不仅可用于日常运动和健康监控，还可以为老年人或慢性病患者提供实时健康参考，具有良好的应用前景。

2、系统电路设计

系统电路由STM32F103C8T6核心板、ADXL345加速度传感器、心率传感器、温度传感器、LCD1602液晶显示电路及电源电路组成，各模块电路的设计如下。

2.1 STM32F103C8T6单片机核心电路

STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机，具有72MHz主频、丰富的外设接口以及较强的运算能力，非常适合运动与健康监测类应用。其电路部分包括：

外部晶振电路：提供8MHz外部晶振，并配合倍频电路生成系统时钟。
复位电路：通过复位电容和按键保证系统上电初始化正常。
供电电路：由电源模块提供稳定的+3.3V电压供单片机和传感器使用。
外设接口：通过I2C总线与ADXL345连接，通过ADC接口采集心率和温度信号，通过GPIO与LCD1602通信。

2.2 ADXL345加速度传感器电路

ADXL345是一款三轴加速度传感器，能够检测-16g到+16g范围的加速度值。其电路设计要点：

与STM32通过I2C接口连接，SCL和SDA引脚接到单片机的I2C总线。
提供3.3V供电，并加去耦电容保证稳定性。
通过采集步伐运动中的加速度变化，单片机对数据进行滤波与峰值检测，实现步数统计。

2.3 心率传感器电路

心率传感器常采用光电容积脉搏波（PPG）原理，通过检测血液流动引起的光强变化来获得心率信号。电路要点：

输出为模拟脉冲信号，经信号调理后输入至STM32的ADC通道。
STM32对信号进行采样，采用定时中断和峰值检测算法计算脉搏次数，并转换为bpm（每分钟心跳次数）。

2.4 温度传感器电路

温度传感器可采用常见的DS18B20数字温度传感器或模拟输出型传感器。本设计假设使用模拟温度传感器，其电路连接到STM32的ADC输入端。

供电电压为+3.3V。
模拟电压输出与温度值成比例，STM32采样后进行温度计算与显示。

2.5 LCD1602液晶显示电路

LCD1602是一种常用的字符型液晶显示器，可显示2行16列字符。

与STM32通过并行方式（8位或4位模式）连接。
第一行显示步数、距离和速度；第二行显示心率和体温。
通过定时刷新保持数据实时更新。

2.6 电源电路

系统电源由USB接口或锂电池供电，通过LDO或DC-DC模块稳压输出+5V与+3.3V电源。

+5V主要供给LCD模块。
+3.3V供给STM32与传感器模块。
电源部分配有滤波电容，保证运行稳定。

3、程序设计

系统软件设计基于STM32，使用C语言编写，包含初始化、传感器采集、数据处理、显示更新和逻辑控制等模块。

3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化和循环执行各功能任务，保证数据采集与显示实时性。

#include "stm32f10x.h"
#include "lcd1602.h"
#include "adxl345.h"
#include "sensor.h"
#include "usart.h"

int main(void)
{
    SystemInit();       // 系统时钟初始化
    LCD1602_Init();     // 初始化LCD1602
    ADXL345_Init();     // 初始化加速度传感器
    ADC_Config();       // 配置ADC用于心率与温度采集
    USART_Config();     // 调试串口初始化
    
    while(1)
    {
        // 获取加速度数据并计算步数
        StepCounter_Update();
        
        // 获取心率数据
        HeartRate_Update();
        
        // 获取温度数据
        Temperature_Update();
        
        // 更新显示
        LCD_Display();
    }
}

3.2 ADXL345步数检测程序设计

步数检测基于加速度信号的峰值检测原理，程序通过采集XYZ三轴加速度数据，利用阈值判断是否产生步伐。

void StepCounter_Update(void)
{
    int16_t x, y, z;
    float acc;
    
    ADXL345_ReadXYZ(&x, &y, &z);
    acc = sqrt(x*x + y*y + z*z);
    
    if(acc > STEP_THRESHOLD && StepFlag == 0)
    {
        StepCount++;
        StepFlag = 1;
    }
    else if(acc < STEP_THRESHOLD)
    {
        StepFlag = 0;
    }
}

3.3 心率采集与计算程序设计

心率传感器输出模拟波形，STM32通过ADC采样并利用定时器中断统计峰值，从而计算心率。

void HeartRate_Update(void)
{
    static int beatCount = 0;
    static int timerCount = 0;
    
    uint16_t value = ADC_Read(ADC_CHANNEL_HEARTRATE);
    
    if(value > HEART_THRESHOLD && BeatFlag == 0)
    {
        beatCount++;
        BeatFlag = 1;
    }
    else if(value < HEART_THRESHOLD)
    {
        BeatFlag = 0;
    }
    
    timerCount++;
    if(timerCount >= 1000) // 1秒钟
    {
        HeartRate = beatCount * 60;  // 转换为bpm
        beatCount = 0;
        timerCount = 0;
    }
}

3.4 温度检测程序设计

温度传感器输出模拟信号，单片机通过ADC采样并进行转换。

void Temperature_Update(void)
{
    uint16_t adc_value = ADC_Read(ADC_CHANNEL_TEMP);
    float voltage = (adc_value / 4096.0) * 3.3;
    Temperature = voltage * 100;   // 假设10mV/℃传感器
}

3.5 LCD1602显示程序设计

LCD1602实时显示运动与健康数据。

void LCD_Display(void)
{
    char buf[16];
    
    LCD1602_SetCursor(0,0);
    sprintf(buf, "S:%d D:%.1f", StepCount, Distance);
    LCD1602_Print(buf);
    
    LCD1602_SetCursor(1,0);
    sprintf(buf, "HR:%d T:%.1f", HeartRate, Temperature);
    LCD1602_Print(buf);
}

3.6 系统算法与数据处理

步数统计：通过峰值检测方法识别步伐，同时结合时间戳计算速度与距离。距离通过步长估算公式计算：
[
距离 = 步数 \times 步长
]
其中步长可取默认值0.6m或根据用户身高设置。
平均速度计算：系统根据总行走距离与时间计算平均速度：
[
平均速度 = 距离 / 时间
]
心率处理：对心率传感器采样信号进行滤波，去除干扰，利用定时器统计峰值，得到稳定的心率数据。
温度计算：根据传感器输出电压与温度之间的线性关系，转换为摄氏度值。