基于单片机的智能健康监测系统的制作方法

1.本发明涉及电子通信与健康监测技术领域，更具体地说，它涉及基于单片机的智能健康监测系统。


背景技术：

2.随着生活节奏越来越快，吸烟、酗酒、熬夜等不良嗜好正在致使多数人身体机能下降，加之缺乏运动导致患病几率大幅增加，以及我国现阶段医疗体系尚不完善，用于日常健康监测的便携式家庭医疗设备稀缺。传统医疗设备不能满足实时监测身体数据的需求，而设计基于单片机的健康监测系统，开发一种基于单片机的智能健康监测系统，极大地方便人们进行日常健康监测，实现及时监测、快速反馈和有效管理。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供基于单片机的智能健康监测系统，以解决上述技术问题。
4.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于单片机的智能健康监测系统，包括电路板、单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块；所述单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块搭载于电路板上，所述心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块、充电模块与单片机连接。
5.本发明进一步设置为：所述心率血氧监测模块为高灵敏度监测血氧饱和度和心率的生物传感器。
6.本发明进一步设置为：所述体温监测模块为数字红外温度传感器。
7.本发明进一步设置为：所述实时时钟模块为实时时钟器件，所述实时时钟器件内置有温度补偿晶振、时钟电路，并具有电池备份功能；所述时钟电路由晶体振荡器和分频器组成；所述实时时钟器件内置温度传感器，并通过温度补偿晶振来提高时钟的准确性。
8.本发明进一步设置为：所述数据传输模块为wi-fi模块，所述wi-fi模块内部集成wifi网络协议栈和tcp/ip协议栈，通过单片机的串口发送指令实现进行数据传输和通信。
9.本发明进一步设置为：所述充电模块采用锂电池充电管理芯片，所述充电模块具有电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电功能。
10.本发明进一步设置为：所述单片机工作频率72mhz，具有64k字节flash程序存储器和20k字节的sram数据存储器，还具有7个定时器、37个i/o引脚和通信接口，所述通信接口包括2个iic接口、3个usart接口、2个spi接口、1个can接口和1个usb 2.0全速接口。
11.综上所述，本发明具有以下有益效果：系统的主控采用单片机，其运行速度快且稳定，保证了系统的稳定性和可靠性。心率血氧监测模块具有高精度和高灵敏度的特点，可以实现对用户心率和血氧饱和度的实时监测。红外测温传感器可以实时测量用户的皮肤温度，以便更好地了解用户身体状况。实时时钟模块可以确保系统时间的准确性和稳定性。显示屏模块可以直观地显示用户的健康数据，便于用户了解自身身体状况。数据传输模块可
以将用户的健康数据上传到手机上，为用户提供更为全面的健康管理服务。为了使系统具备可持续性，还采用可充电锂电池作为电源，并使用锂电池充电模块进行充电管理。通过硬件和软件的互相配合和交互，保证了系统的稳定性、可靠性和易用性。
附图说明
12.图1是本发明实施例中系统的整体结构示意图；
13.图2是本发明实施例中stm32f103c8t6核心板实物图；
14.图3是本发明实施例中智能健康监测系统整体流程图；
15.图4是本发明实施例中智能健康监测系统实物图；
16.图5是本发明实施例中心率血氧监测程序流程图；
17.图6是本发明实施例中温度监测程序流程图；
18.图7是本发明实施例中读取实时时钟程序流程图；
19.图8是本发明实施例中校准实时时钟校准程序流程图；
20.图9是本发明实施例中ip地址获取程序流程图；
21.图10是本发明实施例中数据发送程序流程图；
22.图11是本发明实施例中屏幕显示程序流程图；
23.图12是本发明实施例中基于单片机的智能健康监测系统电路设计图。
具体实施方式
24.以下结合附图1-12对本发明作进一步详细说明。
25.实施例：基于单片机的智能健康监测系统，如图1-图12所示，：包括电路板、单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块；所述单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块搭载于电路板上，所述心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块、充电模块与单片机连接。
26.系统的主控采用stm32f103c8t6单片机,stm32f103c8t6是一款基于cortex-m3内核的32位微控制器，最高工作频率可达72mhz，单片机内部具备64k字节flash程序存储器和20k字节的sram数据存储器，同时还拥有7个定时器、37个i/o引脚，通信接口包括2个iic接口、3个usart接口、2个spi接口、1个can接口和1个usb 2.0全速接口。具有体积小、功耗低、速度快、功能全等优点，完全可以满足系统低功耗、低成本、小体积等特点的需求。图2为stm32f103c8t6核心板实物图。
27.心率血氧监测模块为高灵敏度监测血氧饱和度和心率的max30102生物传感器,包括内部的led，光电检测器，光学元件，以及环境光抑制的低噪音电子学。单个1.8v电源，内部led电源5.0v，通信通过标准的i2c接口进行，工作温度-40℃到+85℃。它使用光溶积法进行测量即当红外led照射到皮肤上时，一部分红外光被皮肤和其他组织反射或散射，而另一部分穿透皮肤并被血液吸收。这部分被吸收的红外光的强度与血液中的氧气含量相关。同时，红外光电二极管测量反射回来的光强度，这个强度与皮肤和其他组织的吸收、反射和散射相关。这两个测量值结合起来，就可以计算出血氧饱和度和心率。其最终通过iic接口将监测数据发送至单片机。
28.血氧饱和度spo2计算：首先通过原始数据计算数红光与红外的直流分量以及交流分量，再分别算出红光的交流分量除以红光的直流分量即:acred/dcred，和红外的交流分量除以红外的直流分量即：acir/dcir。然后两者再相除得到比值r，
[0029][0030]
得到r然后通过下面maxim拟合的公式计算：
[0031]
spo2＝-45.060*r*r+30.354*r+94.845
[0032]
首先，读取max30102传感器监测到的500组数据。接着，使用滤波算法对这500组数据进行滤波处理，以去除噪声干扰，确保后续数据处理的准确性。在滤波结果中寻找最大和最小值，以确定红光和红外光的直流分量和交流分量。通过最大值和最小值的差值，计算出红光和红外光的交流分量，并使用直流分量和交流分量的比例，结合美信提供的血氧计算公式，计算出血氧值。同时，利用红光数据的两个最大值之间的时间间隔，计算出心率值。最后，将心率值和血氧值保存至stm32中，并更新显示结果。
[0033]
mlx90614-baa数字红外温度传感器，利用先进的集成式mems技术和红外感应器，能够在-70℃至380℃的范围内提供高精度、高线性度和低噪声的温度测量结果。利用红外技术读取物体表面的辐射能量，从而计算出物体表面的温度。与传统温度传感器不同的是，它不需要直接接触物体表面，因此可以避免对被测物体造成损害或污染，同时也具有更广泛的应用场景。可以通过配置传感器内部的参数，如测量范围和如测量范围和分辨率，来满足不同的应用需求。其通过iic通信接口与单片机进行数据通信。
[0034]
通过循环读取mlx90614传感器监测到的1000组数据，并在读取数据的同时对这些数据进行crc校验(cyclic redundancy check)，以确保数据的准确性和可靠性。接着，对这1000组数据进行求平均值的操作，以获得更加稳定的测量结果。然后，根据mlx90614数据手册提供的数据转换公式，将计算出的原始值的平均值转换为当前温度(以摄氏度为单位)。最后，将温度值保存至单片机中，并更新显示结果。
[0035]
高精度的实时时钟(rtc)模块采用ds3231，它可以提供准确的时间和日期信息，并且具有非常低的时钟漂移。实时时钟内置一个温度补偿晶振、时钟电路和电池备份功能。ds3231模块内部的时钟电路由晶体振荡器和分频器组成，可以将晶体振荡器的频率分频为1hz的脉冲信号。这个1hz的信号可以用于计时和日期的计算。ds3231模块通过读取和写入寄存器的方式来读取或设置时间和日期信息。此外，ds3231模块还内置了一个温度传感器，并通过温度补偿晶振的方式来提高时钟的准确性。ds3231实时时钟模块是一种高精度、可靠、易于使用的数字模块，适合用于需要精确时间和日期信息的应用。其通过iic通信接口实现与单片机进行数据通信。
[0036]
读取实时时钟部分，首先，通过与ds3231通信，读取其原始数据，包括年、月、日、时、分、秒等信息。然后，将这些原始数据转换为十进制格式，以便进行后续的处理和显示。最后，将转换后的时间信息更新到显示屏上，以实现实时的时间显示功能。校准实时时钟部分，首先，通过时钟设置界面输入校准时间，例如年、月、日、时、分等信息。然后，将这些时间数据转化为bcd(binary-coded decimal)码格式，以便与ds3231实时时钟模块进行通信。最后，将转换后的bcd码值发送至ds3231的对应寄存器中，实现实时时钟的校准操作，从而确
保实时时钟的准确性和精度。
[0037]
显示屏为tft显示屏，它可以显示彩色图像和文字。tft显示屏使用三原色(红、绿、蓝)的led背光灯来照亮显示屏，从而产生丰富、明亮的彩色图像。tft显示屏有高分辨率、高对比度、高亮度等优点，并且能够以高速率刷新屏幕，从而达到流畅的动画效果。此外，1.44寸tft显示屏的小尺寸、轻便性以及低功耗也非常适合用于系统等小型设备中。其通过spi通信接口实现与单片机的数据通信。
[0038]
wi-fi模块采用esp8266-01s模块，在使用esp8266-01s时，需要先对其进行初始化和配置，包括设置连接wifi的ssid和密码、设置连接的服务器地址和端口号等。所述wi-fi模块内部集成wifi网络协议栈和tcp/ip协议栈，通过单片机的串口发送指令实现进行数据传输和通信。ip地址获取部分，首先，发送ip地址查询指令到esp8266-01s模块。然后，接收esp8266-01s模块返回的数据，并从返回的数据中提取ip地址。最后，将提取得到的ip地址保存至stm32中，并更新显示结果。在数据发送部分，首先，通过检查ip地址是否可用来判断wifi是否连接。如果wifi已连接，则将当前健康数据进行打包处理，包括对数据的格式化和编码。接着，通过串口通信利用at指令将打包的数据发送至手机。这包括通过串口与esp8266-01s通信，发送at指令以建立tcp/ip连接，然后将打包的数据通过tcp/ip连接发送至手机。
[0039]
锂电池充电模块采用tp4056，是一款常用的锂电池充电管理芯片，它可以通过micro usb口或其他外部直流电源输入，自动控制锂电池的充电过程。所述充电模块具有电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电功能。
[0040]
智能健康监测系统系统由stm32f103c8t6核心板、max30102心率血氧传感器、mlx90614-baa温度传感器、ds3231实时时钟模块、esp8266-01s wifi模块和tft显示屏组成。通过编程实现心率血氧监测、温度监测、运动步数检测、实时时钟显示以及数据发送等功能。各个模块插到pcb电路板上，应为pcb电路板上两面都有模块，因此使用了两块pcb电路板，中间使用铜柱支撑，使得背面的模块避免磕碰或者误触等问题。在组装好智能健康监测系统后，进行了整体测试。首先，打开电源开关使整个系统通电，屏幕显示一个开机动画。然后插上电源，检查该系统是否插电使用正常。第二步，检查主页显示以及菜单页显示是否正常，其显示内容包含当前年、月、日、时、分、周。菜单页显示内容包含可监测的健康功能，用户可点击进入进行对应功能的监测、设置等操作。第三步，分别进行功能页显示检测。心率显示页显示的内容包含heart rate即心率的英文标识，以及当前心率值。血氧显示页显示的内容包含blood即血氧饱和度的简写标识，以及当前血氧饱和度值。温度显示页显示的内容包含temprature即温度的英文标识，以及当前温度。时钟设置页显示的内容包含设置的时间，其功能是通过人为输入对当前时间进行校准。第四步，测试手机端是否能够正常进行数据接收，本设计使用的是安信可公司提供的网络调试助手，连接后系统后，每十秒会收到系统发送的健康监测数据。最后，分别对运动前和运动后的健康数据监测，监测结果如下表1：
[0041]
表1监测结果
[0042]
监测项目心率(次/分钟)血氧(％)体温(℃)运动前(第一次)657835.81运动前(第二次)628236.03
运动前(第三次)708036.12运动后(第一次)989836.82运动后(第二次)1109436.93运动后(第三次)1068836.89
[0043]
成人正常心率范围约为60～100次每分钟，动脉血的饱和度约为94％-100％，静脉血的血氧饱和度正常值约为64％-88％，对于手腕部位正常体温范围为36.0-37.0℃。经过实物展示和测试，得出的数据表明，本设计基本符合预期，并具有一定的使用性。
[0044]
在系统启动时，初始化使用到的stm32外设时钟。接着，需要逐一初始化使用的传感器，以确保它们能够与stm32进行通信并正常工作。完成传感器初始化后，显示系统开机动画以提高用户体验。同时，需要开启定时器2的定时中断，以便实现定时器相关的功能。在程序运行过程中，需要不断判断是否产生定时中断或外部中断。如果出现定时中断，程序将对cnt进行自增操作，并对cnt的值进行判断。如果cnt的值能够被15整除，则刷新时间；如果cnt的值能够被100整除，则将系统内部存储的健康数据发送至手机端。如果产生外部中断，则执行相应的外部中断代码。
[0045]
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.基于单片机的智能健康监测系统，其特征是：包括电路板、单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块；所述单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块搭载于电路板上，所述心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块、充电模块与单片机连接。2.根据权利要求1所述的基于单片机的智能健康监测系统，其特征是：所述心率血氧监测模块为高灵敏度监测血氧饱和度和心率的生物传感器。3.根据权利要求1所述的基于单片机的智能健康监测系统，其特征是：所述体温监测模块为数字红外温度传感器。4.根据权利要求1所述的基于单片机的智能健康监测系统，其特征是：所述实时时钟模块为实时时钟器件，所述实时时钟器件内置有温度补偿晶振、时钟电路，并具有电池备份功能；所述时钟电路由晶体振荡器和分频器组成；所述实时时钟器件内置温度传感器，并通过温度补偿晶振来提高时钟的准确性。5.根据权利要求1所述的基于单片机的智能健康监测系统，其特征是：所述数据传输模块为wi-fi模块，所述wi-fi模块内部集成wifi网络协议栈和tcp/ip协议栈，通过单片机的串口发送指令实现进行数据传输和通信。6.根据权利要求1所述的基于单片机的智能健康监测系统，其特征是：所述充电模块采用锂电池充电管理芯片，所述充电模块具有电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电功能。7.根据权利要求1所述的基于单片机的智能健康监测系统，其特征是：所述单片机工作频率72mhz，具有64k字节flash程序存储器和20k字节的sram数据存储器，还具有7个定时器、37个i/o引脚和通信接口，所述通信接口包括2个iic接口、3个usart接口、2个spi接口、1个can接口和1个usb2.0全速接口。

技术总结
本发明公开了基于单片机的智能健康监测系统，涉及电子通信与健康监测技术领域，其技术方案要点是：包括电路板、单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块；所述单片机、心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块和充电模块搭载于电路板上，所述心率血氧监测模块、体温监测模块、时钟模块、显示屏、数据传输模块、充电模块与单片机连接。能够实现人体基本指标的监测，如心率、血氧、温度等，并且将数据传输到手机上，实现远程监测和管理。管理。管理。


技术研发人员：刘雪飞 余珧 张宇 丁茂举 毕津顺 肖文君 王刚 王德贵 王珍 吴亮
受保护的技术使用者：晋城市光机电产业协调服务中心（晋城市光机电产业研究院）
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/10/11