基于STM32礦工帽的體溫采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魯開林++吳孔平++李琳++慈能達(dá)++李良光++周孟然

摘要：體溫是一種反映人體健康狀況的重要參數(shù)，長(zhǎng)期記錄人的體溫為預(yù)防疾病起到重要作用，為進(jìn)一步研究井下工作人員的身體健康狀況提供大量的有用數(shù)據(jù)。采用單片機(jī)STM32F103RBT6為主控制器，配合MLX90615 紅外溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)人體體溫的測(cè)量并把體溫?cái)?shù)據(jù)保存在大容量Micro SD卡中。該系統(tǒng)不僅體積小、功耗低，便于在礦工帽上安裝和長(zhǎng)時(shí)間使用，而且成本低廉、操作簡(jiǎn)單，便于普及和推廣。

關(guān)鍵詞：STM32； 體溫測(cè)量； MLX90615； Micro SD卡

中圖分類號(hào)：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)家對(duì)煤礦開采安全的重視，管理者對(duì)礦工在井下工作的安全性要求越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)礦工身體的健康狀況也日益重視，而體溫是人體生命活動(dòng)的基本特征，也是觀察人體機(jī)能是否正常的重要指標(biāo)之一，是標(biāo)準(zhǔn)化較強(qiáng)和測(cè)量較為方便的一種生理信號(hào)[1]。因此，在礦工帽上設(shè)計(jì)一種具有智能測(cè)量體溫并存儲(chǔ)的系統(tǒng)尤為重要，這有助于煤礦的管理人員了解礦工在井下工作的身體健康狀況，安排合理的工作班次，對(duì)礦工提供人文關(guān)懷。本系統(tǒng)選擇意法公司的STM32F103芯片作為主控制器，MLX90615作為非接觸式測(cè)溫的傳感器，目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由微控制芯片控制的礦工帽上的體溫采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)STM32F103、紅外溫度傳感器、OLED顯示模塊、Micro SD存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊和電源模塊等構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。單片機(jī)通過(guò)通用輸入輸出管腳（GPIO）、模擬SMBus總線與紅外溫度傳感器進(jìn)行通信。紅外傳感器采集信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部算法準(zhǔn)確計(jì)算出人的體溫值，通過(guò)OLED顯示模塊顯示并保存到Micro SD存儲(chǔ)器中，再根據(jù)體溫的警戒值去控制報(bào)警模塊。鑒于煤礦下的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，人體體溫的警戒值設(shè)定為38.5攝氏度[2]。

圖1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器的選擇

本設(shè)計(jì)選用了基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列中STM32F103RBT6微處理器。STM32微處理器具有高性能、低功耗特點(diǎn)，擁有復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等，并提供豐富的外設(shè)和USB接口[3] 。STM32F103RBT6片上集成了128 k FLASH，20 k SRAM存儲(chǔ)器，并有2個(gè)SPI、3個(gè)串口、4個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)CAN接口、1個(gè)USB、51個(gè)可用的I/O腳。這樣的配置滿足當(dāng)前功能又能后續(xù)升級(jí)，是較為理想的選擇。

2.2體溫測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MLX90615ESG-DAA紅外溫度傳感器測(cè)量人體體溫。該種傳感器專為醫(yī)療檢測(cè)設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成了紅外傳感器，低噪聲運(yùn)算放大器，16位ADC，F(xiàn)IR/IIR濾波器和高性能DSP單元，在36～39℃的人體溫度范圍內(nèi)的精度達(dá)到±0.1 ℃，符合醫(yī)療檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。MLX90615 支持PWM和SMBus兩種通信方式，本設(shè)計(jì)采用SMBus的方式與處理器進(jìn)行通信，紅外體溫測(cè)量電路如圖2所示。SMBus 是一種二線制的同步串行總線，由1 條時(shí)鐘線和1 條數(shù)據(jù)線組成，主機(jī)為通信提供同步時(shí)鐘[4]。由于處理器STM32沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的SMBus 總線，因此，使用2 個(gè)GPIO 管腳模擬SMBus 總線的通信協(xié)議，處理器作為通信主機(jī)，而MLX90615 作為從機(jī)。

SCL 引腳為SMBus總線通信提供同步時(shí)鐘；SDA 引腳為數(shù)據(jù)線。

圖2MLX90615與STM32F103RBT6單片機(jī)的連接電路圖

2.3OLED顯示模塊電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ALINETEK的0.96寸OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。該模塊為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，抗震性好、高分辨率，超廣可視角度、超低功耗。它不需要高壓，采用3.3 V的電壓就可以工作。它支持8080并行接口方式，具有多個(gè)控制指令，可以控制OLED的亮度、對(duì)比度、開關(guān)升壓電路等指令[5]。操作方便，功能豐富，通過(guò)以下一些的信號(hào)線與單片機(jī)連接。OLED顯示模塊與STM32單片機(jī)的連接原理如圖3所示。

2.4Micro SD存儲(chǔ)模塊的電路設(shè)計(jì)

Micro SD 卡的外形尺寸很小，應(yīng)用在手機(jī)、多媒體播放器等小體積的系統(tǒng)中。它擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率以及很好的安全性的特點(diǎn)。Micro SD卡的接口支持SPI模式。它使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCL）、低電平有效的使能信號(hào)線（CS）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出線（MISO）、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入線（MOSI）[6]。利用STM32自帶的SPI接口，最高通信速度可達(dá)18 Mb/s，每秒可傳輸數(shù)據(jù)2MB以上，對(duì)于該系統(tǒng)應(yīng)用足夠了。Micro SD 卡和STM32單片機(jī)的連接原理如圖4所示。

圖3OLED顯示模塊與STM32F103RBT6單片機(jī)引腳的電路連接圖

圖4Micro SD 卡和STM32F103RBT6引腳的電路連接圖

2.5電源模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中單片機(jī)、紅外溫度傳感器、OLED顯示模塊、Micro SD卡存儲(chǔ)模塊和報(bào)警模塊的供電電壓均為3.3V，因此，電源模塊需為系統(tǒng)提供3.3 V電源。采用4.2 V鋰電池進(jìn)行供電，使用一片低壓差線性穩(wěn)壓器RT9193將電池電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V供電電壓。電源模塊電路如圖5所示，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電源輸出能夠到達(dá)本質(zhì)安全型標(biāo)準(zhǔn)。

圖5電源模塊電路

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成功能包括體溫?cái)?shù)據(jù)采集與運(yùn)算、OLED顯示、Micro SD卡相關(guān)的初始化和寫操作。系統(tǒng)初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置、中斷配置、外設(shè)總線初始化以及GPIO引腳配置等初始化設(shè)置。系統(tǒng)主程序如圖6所示[7]。

圖6系統(tǒng)的主程序流程圖endprint

3.1溫度采集部分

系統(tǒng)采用定時(shí)中斷的方式啟動(dòng)紅外體溫測(cè)量，在定時(shí)中斷子程序中啟動(dòng)SMBus總線讀取MLX90615的原始測(cè)量數(shù)據(jù)Data，并根據(jù)公式T=Data×0.02 -273.15計(jì)算人體體溫，將最終得到的人體體溫T 存入體溫?cái)?shù)據(jù)緩沖區(qū)中。定時(shí)器中斷子程序流程如圖7所示。

圖7定時(shí)器中斷子程序流程圖

3.2Micro SD卡的初始化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

Micro SD卡通過(guò)上電和軟件復(fù)位命令CMD0實(shí)現(xiàn)復(fù)位；上電之后進(jìn)入idle狀態(tài)模式；Micro SD卡在選擇進(jìn)入SPI 模式后，再次上電前不能返回SD模式，之后用CMD1初始化Micro SD卡[8]。其初始化流程如圖8所示。

圖8Micro SD卡初始化流程圖

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于STM32礦工帽的體溫采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能成功地將數(shù)據(jù)顯示并存儲(chǔ)起來(lái)，為測(cè)量礦井下的人員在工作中的體溫變化過(guò)程提供一種技術(shù)手段，可為井下人員身體工作狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究提供可靠的和足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)不僅體積小、功耗低、集成度好，而且采用了彈出式Micro SD卡座設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡可以替換下來(lái)，方便數(shù)據(jù)信息保存到PC機(jī)中。本系統(tǒng)為面向個(gè)人健康監(jiān)護(hù)的典型應(yīng)用，適用于礦井工作環(huán)境，有著很好的發(fā)展前景和廣闊的提升空間。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）endprint