智能手环的设计

智能手环的设计生物医学的信号电子指标与生命和人体的健康息息相关，只有充分掌握其中的规律才能更好的有效解决生命和人体的健康和心理问题。随着生物医学电子信息指标检测技术的进一步发展和现代医学的不断进步，人们对于高精度便捷式的生物医学信号电子指标检测设备的需求越来越高。而运动心率和人体运动步数又是测量人体的两个重要的指标，基于这两个原因，本设计按照现在生物医学发展的实际情况设计了一款基于单片机的人体运动心率监测系统。本设计由ADXSTM32F103C8T6单片机核心板控制电路、ADX1345传感器电路、心率速度传感器电路、温度传感器和LCD1602电路部分组成。本设计通过重力加速度传感器电路ADX1345检测人的走路状态，计算出走路步数、走路的距离和平均走路速度。通过心率速度传感器电路实时显示检测人的心率，通过温度传感器电路检测人体的温度。通过相应的LCD1602实时显示走路步数、距离和平均速度、心率以及体温。关键词：STM32单片机；手环；心率；计步；温度第一章绪论课题背景及其意义随着现代社会的进步和发展，人们的精神物质和生活水平日渐的提高,人们也越来越重视和关注自己的健康。电子计步器作为一种运动测量的仪器，可以很准确的计算人体行走的时间步数和过程中所消耗的各种运动能量，所以人们在运动时可以根据自己制定的各种运动方案来进行健身，并根据人体运行的情况来检测和分析人体的功能和健康状况，因而越发的流行。手持式的电子计步器是一种适应了市场需求的人性化设计，使用操作起来简单方便。心率（heartrate）周期是现代心理学领域用来用于解释和广泛描述内脏心动节律周期的一个医学专业术语，是专门用来解释指一个人的心脏每分钟只能进行一次声音跳动的时间频率和跳动次数，以第一次发出声音的跳动频率次数为准。健康儿童和成人的每分钟心率为60~100次/分，大多数为60〜80次/分，女性稍快;3岁以下的人和小儿常在100次/分以上;老年人偏慢。健康成人每分钟的心率次数超过100次（一般不超过160次/分）或以下婴幼儿心率次数超过150次/分者,称为窦性心动过速。常见于一些正常人的运动、兴奋、激动、吸烟、饮酒和长期喝咖啡或浓茶后。也同时可见于老年人的发热、休克、贫血、甲亢、心力衰竭及长期应用药物如阿托品、肾上腺素、麻黄素等。如果每分钟心率在160~220次/分，常称为阵发性的心动过速。如果心率低于60次/分者（一般在40次/分以上），称为窦性心动过缓。也可见于长期工作或从事重体力劳动和体育运动员；病理性的见于甲状腺调节机能低下、颅内压增高、阻塞性黄疸、以及洋地黄、奎尼丁或其他心得安类等刺激性药物的过量或中毒。患者如心率正常或低于40次/分，应考虑其它有利于房室神经传导系统的阻滞。基于此，本设计选择研发一种将步数和心率连接一体的智能手环。国内外的研究状况近年来,全球的医疗器械高新技术产业快速地发展，贸易往来活跃,平均每年经济增速达7%左右，是同期全球国民经济平均增长速度的两倍左右。我们把医疗器械高新技术产业发展作为推动全球医疗器械高新技术产业发展和竞争的重要战略焦点和领域，其市场竞争正在向技术、人才、管理、服务、资本、标准等领域多维度、全方位地拓展。与发达国家产业相比，我国的医疗器械高新技术产业基础薄弱，产业发展链条不完整，整体的竞争力弱，基础技术产品的综合应用性能和核心产品可靠性之间存在一定的差距，部分的核心产品关键技术尚未得到充分掌握,在医疗器械产业市场竞争中始终处于不利的地位。医疗器械产业是典型的发达国家高新技术支柱产业，具有多学科高新技术应用密集、学科技术交叉广泛、技术与集成应用融合等的显著特点，是一个发达国家前沿技术的发展创新水平和多学科技术交叉集成与应用融合创新能力的集中体现，是发达国家带动和支撑引领多学科高新技术融合发展的重要力量和引擎。当前，国际上在医疗器械应用领域的国际科技合作和创新高度活跃，电子、信息、网络、材料、制造、纳米等先进医疗器械技术的应用和创新研究成果向国际医疗器械应用领域的传播和渗透日益地加快,创新技术和产品不断涌现。但是，由于其创新能力薄弱,创新技术服务体系不完善,产学研医结合不紧密，我国多学科医疗器械的科技创新发展的水平与发达国家相比还存在较大的差距。是提高医疗器械自主研发创新能力、培育国家战略性发展新兴产业、建设战略性创新型发达国家的重要历史阶段，也是进一步地深化国家医药卫生管理体制改革的一个攻坚性关键时期。医疗器械的发展是我国现代医疗卫生服务体系现代化建设的重要推动力和基础，具有高度的社会战略性、带动性和巨大的成长性，其独特的战略地位和重要性受到了当今世界各国的普遍高度重视,已成为一个发达国家的科技进步和其国民经济的现代化发展水平的重要历史标志。单从对心率计这方面的定义来讲，一般是属于心电机的一部分,且常被广泛应用于医院等一些大型的医疗机构，专门用于测量病人心率的设备和仪器并不多，但随着心率计时代的发展与进步和现代社会的进步与发展,心率计的实际应用也越来越广泛，在对病人的监控、临床心理治疗及对体育竞赛等诸多方面都已经有着广泛的研究和应用。在未来的实际应用中,心率计也将朝着测量精度高、轻型化、一体化、可视化、可控化等一些更适合在家庭和病人社区的条件下广泛使用的技术方向发展。计步器最早是由意大利的伦纳德达芬奇酝酿的，但是现存的最早的机械式计步器最早是在达芬奇之后150年,即现在的德国1667年制作的。现代日本最早的机械式计步器最早是由iragcn.naihiraga在1755年制作的。在中世纪和近代，计步器并未被广泛的使用，因为当时人们并不是很清楚它的用途。这说明机器的发明（硬件）远远不及找到它对于人类的意义和用途（包括软件）重要。在现代日本，计步器已经广泛使用了40多年，主要是用于进行体育运动和跑步的分析记录行走步调。1965年,计步器正式进入日本商用市场，并被日本正式命名为计步器。manpo-meter（manpo的是日语含义,也就是10000步）。这是的计步器通常都是利用了摆钟的原理作为记步技术，利用加重的机械计数器和开关装置来检测自己的步伐,并且通常都带有一个简单的机械式计数器。如果你轻轻晃动这些计数器的装置,就可以清楚的听到旁边有一个金属制成的圆球来回滑动，或者一个摆钟左右摆动来回敲响的咣当块。这种机械式的自动计步器早已逐渐淡出了历史，取而代之的是电子式的自动计步器。主要研究内容本设计主要研究智能手环的相关内容，以STM32F103C8T6为主要控制核心，其详细功能介绍如下：1、通过重力加速度传感器ADXL345检测人的状态，计算出走路步数、走路距离和平均速度。2、通过心率传感器实时检测心率，通过温度传感器检测温度。3、LCD1602实时显示步数、距离和平均速度、心率以及温度值。第二章总体设计方案设计要点本设计由STM32F103C8T6单片机核心板电路、ADXL345传感器电路、心率传感器电路、温度传感器和LCD1602电路组成。方案选择控制器的选择方案一采用可编程的逻辑控制器件中的CPLD器件作为逻辑控制器,CPLD控制器可以是实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于高效地进行功能控制扩展。该系统采用了并行的数据输入和输出的方式,提高了系统的数据处理速度，适合于作为各种大规模的控制设备和系统的数据控制处理核心。但本逻辑控制系统不需要复杂的逻辑控制功能，对于数据的输入和处理速度的要求也不是非常高。且从其使用及技术和经济的效益等角度进行考虑，最终放弃了此方案。方案一采用美国ST公司的新款STC89C52单片式主机和微处理器软件作为主要微控制器,STC89C52是一种低设计成本的小功耗、高性能的CMOS8位阵列嵌入式微处理控制器，具有8k在一个系统硬件中的一个可编程的SFLASH阵列存储器。该系列嵌入式单片机软件功耗低、接口丰富，成本低廉，完全能满足本设计要求。、 .J-、 » 4方案二采用MSP430单片机处理器，该处理器是一种由美国电子公司德州仪器(TI)公司推出的一种16位超低功耗的混合型单片机信号处理器,主要功能是针对实际工业应用的需求，把许多类型的模拟集成电路、数字电路和其他微处理器集成在一个控制芯片上，以提供"单片"的混合信号采集和处理的芯片控制解决方案。MSP430F149是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的智能混合型单片机，具有系统可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点,广泛应用于各种仪器仪表、专用设备的智能化质量管理及生产过程自动化控制等工业应用领域，有效地大大提高了单片机控制的质量与其经济效益,已经发展成为众多混合型单片机产品系列中一颗耀眼的技术新星。方案四采用STM32单片机作为微处理器控制芯片,STM32系列单片机微处理器控制芯片是意法半导体ST公司自主设计生产的一种基于ARM7架构的32位、支持实时仿真和自动跟踪的单片机微控制器。使用了ARM最新的、先进架构的ARMCORTEX-M3内核，具有优异的实时仿真性能、杰出的功耗控制、出众及创新的外设,并且最大程度的与处理器集成整合，易于进行开发。综上所述，选择方案四。显示方案的选择方案一采用先进的LED系列数码管扫描动态技术进行扫描,LED系列数码管扫描法价格适中,对于单片机上显示的数字十分合适，采用ED系列动态数码管扫描法与ED系列单片机进行连接时，连接占用的空间比单片机口线少，电路简单，性价比相对较高。然而由于本设计显示数据较多，数码管明显不符合要求，故舍弃。方案一采用点阵式的发光数码管进行数字显示，点阵式的发光数码管中文显示数字是由一个八行八列的发光数字与一个发光数码二极管数字连接一起组成，对于这种点阵式的数字显示使用文字不太适合，且价格也相对较高，所以在此也不用此种显示方式。、 .J-、 » 4方案二LCD这种新型液晶数字显示，由先进的新型单片硅电极和微处理器进行驱动，它主要优点是由于用来在一个屏幕上同时显示大量的图形数据、文字、图形，能够有效保证同时显示的数据位数多，显示得清晰多样、美观，同时这种新型液晶数字显示器的结构设计和软件编写程序简单，价格便宜，而且由于工作时的功率和电能消耗小，而且使用寿命长、抗干扰能力强。综上所述，选择方案三。倾角传感器的选择方案一采用高速绕轴陀螺仪检测模块可用来准确性地检测人的各种身体运动位置和中心运动量矩信息，陀螺仪检测模块主要是用高速绕轴回旋旋转体的中心角惯性运动量矩敏感器，在壳体相对于轴惯性的角运动量矩空间中，围绕着轴正交于敏感壳体中心自转轴的一个或二个高速回转体与轴的速度角，进行运动量矩检测，该运动检测装置模块的工作精度高，稳定性强,但控制复杂。方案一：采用基于FPGA的美国ADI公司的新型嵌入式面部倾角高度传感器和新的adx1345模块设计，实现能够准确性地检测人的面部身体生理位 置等等信息声~处345功能很强大，内置很多新的数据处理寄存器，而且每次使用的时间成本低，易于控制。综上所述，选择方案二。心率监测模块选择方案一采用压力传感器直接采集压力式心率系统的电信号，压力式心率传感器在测量时传出的心率系统电信号比较微弱，测量的难度大,且容易受外界的干扰,在本次的设计来说这种方式的选择将会大大提高系统的设计实现效率和难度。方案一采用红外传感器模块，用晶体管采集红外心率监测信号，红外传感模块对于晶体管采集的红外心率监测信号的抗干扰能力较强，测量得到的红外心率信号波形也比较稳定,波形也很好。综上所述，选择方案二。第三章硬件电路的设计系统硬件总体结构本设计的硬件电路以STM32F103C8T6单片机为控制核心，通过重力加速度传感器电路ADX1345检测人的走路状态，计算出走路步数、走路的距离和平均走路速度。通过心率速度传感器电路实时显示检测人的心率，通过温度传感器电路检测人体的温度。通过LCD1602实时显示走路步数、距离和平均速度、心率以及体温。本系统总体框图如图3-1所示。式口阴口之显示电踏温度聚集电第心率采朱转换电塘4DMLW4三检酗电路总电源及降压电路式口阴口之显示电踏温度聚集电第心率采朱转换电塘4DMLW4三检酗电路总电源及降压电路芸£里片机最小系统电路图3-1系统总体框图模块电路的设计主控模块设计STM32系列控制微处理器芯片是意法半导体ST公司自主开发生产的一种基于ARM7架构的32位、支持实时仿真和自动跟踪的智能化微控制器。之所以选择此款智能化的控制微处理器芯片，是因为该公司的系统控制芯片设计的目的并非为了追求系统成本的最低或更小的系统功耗，而是在帮助用户实现该公司设计所有功能的必要前提下，能够为用户提供更丰富的单片机接口和功能。此款智能化的控制芯片在学生完成了单片机技术课程的基础学习后上手较为容易，在计算机和医疗器械中应用广泛，具有很好的单片机学习、实验以及研究应用价值。STM32的主要优点如下：（1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核；（2）优异的实时性能；（3）杰出的功耗控制；（4）出众及创新的外设；（5）最大程度的集成整合；（6）易于开发，可使产品快速进入市场。对于使用同一平台进行多个项目开发而言，STM32是最佳的选择：（1）从仅需少量的存储空间和管脚应用到需要更多的存储空间和管脚的应用；（2）从苛求性能的应用到电池供电的应用；（3）从简单而成本敏感的应用到高端应用；（4）全面的兼容性。STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图如图3-2所示。VCC5VVCC3.3Vqi耳导UISTM32COREPC131PC13/TAMPER-RTC sss 3V3PC14/OSC32IN 888 PB15PC15/OSC32_OUT >>> PB14PAO/WKUP/ADC12_IN0/TIM2_CH1 PB13PAl/ADC12_IN1/TIM_CH2- PB12PA2/UART2_TX/ADC12_IN2/TIM2_CH3PB11/USART3_RXPA3/UART2二RX/ADC121IN3/TIM21CH4PB10/USART31TxPA4/ADC121N4 一 — PB9/TEM4CH4PA5/ADC12IN5 PB8/TEM4 CH3PA6/ADC12_IN6rriM3_CH1 PB7/TIM4 CH2PA7/ADC12_IN7/TIME3_CH2 PB6/TIM4 CHIPA8/TIM1CHI PB5PA9/UART1_TX/TIM1_CH2 PB4/NJTRSTPA10/UARTi_RX"IMT_CH3 PB3/JTDOPA1l/USBDM/CANRX/TIM1_CH4 PB2/BOOT1PA12/USBDP/CAnJtX PB1/ADC12_1N9/T1M3_CH4PA15/JTDJ PBO/ADC121IN8/T1M31CH3NC ~ -NCNC NCGND NCQQQ§§§40PC14 239PB15PC15338PB14PAO 437PB13PAI 536PB12TXD2PA2 635PBURXD2PA3 734PB10PA4 833PB9PA5 932PBSPA61031PB7PA71130PB6PAH1229PB5TXD1PA91328PB4RXD1PA10 1427PBSPA111526PB2PA121625PB1PAI5 1724PBO182319222021GND寸GND图3-2STM32单片机核心板接口原理图STM32单片机实物图图3-3所示。

图3-3STM32图3-3STM32单片机核心板实物图显示模块电路设计led液晶显示器件主要分为特殊字段型信号显示和基本字符信号显示两种。其中字段显示与传统的led数码管显示相似，只要向字段发送一个对应的字符显示信号并连接到字段相应的信号管脚，就可以实现字符显示。这种字符显示的目的是根据其需要准确地显示基本的字符。本系统的设计主要采用的显示方式是特殊字符型信号显示。在本系统中采用LCD1602液晶显示器显示需要输出的信息。与单片机传统的led基本数码管相比,液晶显示器件模块具有显示体积小、功耗低、显示内容丰富等诸多优点，而且不需要任何外加的驱动控制电路，现在这种液晶显示器件模块已经被认为是目前单片机工业应用显示系统设计中最常用的液晶显示器件了。LCD1602可以同时显示2行16个英文汉字。在本电路中电位器可以调节液晶显示的对比度即清晰度。其具体电路原理图如图3-4所示。LCD1LCD1602IL9IL9厂寸一bl8dFjSIIOQId二"18d0「二8d6orIsdVCC_5V|—1 I—|VCC_5VPR1103图3-4LCD1602液晶显示电路原理图其实物图如图3-5所示。图3-5LCD1602液晶实物图加速度检测电路设计本设计选择了倾角加速度传感器和adxl345模块实时地检测与其相关的状态加速度信息。ADX1345是一款小而薄的超低功耗3轴倾角加速度计，分辨率高(13位),测量的加速度范围最大可达±16g。其数字接口输出数据格式为16位的二进制补码数据格式，可通过一个SPI(3线或4线)或者spi2c的数字加速度接口进行访问。ADXl345非常适合各种移动电子设备的应用。它可以在各种倾斜角度检测的应用中实时地测量各种静态或者重力运动加速度,还甚至可以实时地测量运动或者重力冲击导致的动态倾角加速度。其采用高分辨率(3.9mg/lsb),能够实时地测量倾斜角度不到1.0°的倾斜角度的变化。该传感器件能够提供多种特殊倾斜角度检测的功能。活动和非活动加速度检测功能通过自动比较任意轴上的运动加速度与任意轴上用户自己设置的运动阈值之差，来自动检测任意轴上有无相似的运动现象发生。自由敲击运动检测和双振功能用户可以精确地检测任意一个方向的单振和任意方向双振的动作。自由落体和非运动检测功能用户可以精确地检测一个元器件是否正在快速掉落。这些功能元器件可以独立地映射连接到两个智能电源中断输出引脚中的一个。智能集成式电源存储器智能电源管理模块系统采用一个32级先进先出(fifo)智能电源缓冲器，可以有效地用于管理和存储系统中的数据,从而将系统主机和微处理器负荷的功耗降至最低，并大大降低了整体电源管理10

系统的功耗。低功耗运动模式存储器支持基于低功耗运动的存储器和智能集成式电源的管理，从而以极低的成本来对功耗进行运动阈值的感测和基于运动加速度的测量。ADX1345模块接口结构图如图3-6所示。U3PA41PA55U3PA41PA55ClSCLSDASDOINT2INTI5V3V3GNDVSCSVCC5V工.ADXL345MODE图3-6ADXL345模块接口图ADXL345模块内部电路图如图3-7所示。U2即为稳压芯片，实现5V直流电转化为3.3V直流电，C1-C4为滤波电容。R2、R3为上拉电阻，让信号输入更加稳定。D1为电源指示灯，R1为限流电阻，来保护LED灯D1。图图3-7ADXL345模块电路图ADXL345模块实物图如图3-8所示。11图3-8ADXL345模块实物图心率检测电路设计脉搏测试心率的传感器实质是一种用来测试脉搏信号心跳速率的传感器，实质是一款集成了放大电路和噪声消除电路的利用光学脉搏心率测试装置传感器。制作者可以通过此心率传感器自行开发制作出和脉搏心率传感器有关的互动艺术作品。脉搏心率传感器也可以直接佩戴在自己的手指或者是耳垂上。光电心率传感器将接收到脉搏的信号同时转换为红外电信号,此心率测试装置使用者只需要把自己的手指和耳垂放在光电传感器的仪表盘上，光电心率传感器一侧的两个发光二极管同时发光，当接收到的脉搏信号快速跳动时，指尖或者是耳垂的冠状动脉和大血管血液中的容量同时发生了周期性的变化,透过指尖的红外光辐射强度同时发生变化。另一侧的光电三极管将接收到的脉搏信号红外光辐射信号同时转化为红外电信号。Pulsesensor脉搏心率传感器模块接口原理图如图3-9所示。 |VCC 蘸搏"感器图3-9Pulsesensor脉搏心率传感器接口原理图Pulsesensor脉搏心率传感器模块实物图如图3-10所示。12

图3-10Pulsesensor脉搏心率传感器实物图此脉搏心率传感器理论上输出的波形如图3-11：怛等中S心押浪波形百 11 115 12怛等中S心押浪波形百 11 115 12枭样地鼓图3-11心率脉搏传感器输出波形图在实际使用中，通过示波器直接检测脉搏心率传感器的输出端，得出的波形图如图3-12所示。和理论波形一致。1313图3-12心率脉搏传感器实际输出信号波形由此可见，波形并不是标准的方波信号，为了方便单片机检测心率传感器的输出信号，选择LM393比较器将波形滤波一下，使传感器输出信号转换为标准方波信号，更利于单片机采集，保证了信号的稳定检测。通过LM393比较器模块滤波后的波形图如图3-13所示。图3-13心率脉搏传感器经比较器滤波后输出的波形图LM393比较器模块对Pulsesensor脉搏心率传感器模块滤波的电路原理图如图3-14所示。Pl U4 VCC5V—LM393MODE图3-14心率检测电路原理图LM393比较器高低电平模块具体内部工作原理结构图如图3-15所示。其中R1电阻为比较器分压模拟量电阻,模拟量高低电平信号通过接入比较器LM393比较器后,即可与比较器LM393比较器模块芯片2号引脚所接的模拟电位传感器分压后的比较器模拟电压信号进行计算和比较，进而计算得出的数字信号（即方波信号）。C1、C2为具有滤波作用的电容,C1电容对比较器电源信号进行滤波，让比较器电源的输出更稳定。C2电容对比较器模拟信号输出电压进行滤波，保证了模14

拟信号输出的精度和稳定性。R2、R3均为具有限流作用的电阻，来用于保护比较器的led灯,防止比较器的led灯烧坏,led灯均对较为稳定的低电平有效。R4为比较器的上拉分压电阻，上拉的作用就是将不确定的高低电平信号通过一个分压电阻直接钳位在比较器的高电平，同时还能起限流的作用。这保证了LM393比较器单片机输出的高低电平信号在与比较器单片机引脚进行连接时对高低电平信号的读取更加稳定。VCCU1P1R110K12GNDCUTIN-AC~12T4VCC|0.1uFGNDGND1234OUTAVCCINA-OUTBINA+INB-GNDINB+65ALM393U1P1R110K12GNDCUTIN-AC~12T4VCC|0.1uFGNDGND1234OUTAVCCINA-OUTBINA+INB-GNDINB+65ALM393工;IfGNDVCC VCCR21KR31K4KR41O-1HH13wloIN1EDDR*==C3/NCI474一.！图3-15LM393比较器模块内部电路图LM393比较器模块实物图如图3-16所示。同BF底区，三一同BF底区，三一图3-16LM393比较器模块实物图温度检测电路设计DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方15便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20技术参数如下：(1)独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。(2)测温范围一55℃〜+125℃,固有测温误差(注意，不是分辨率，这里之前是错误的)1℃。(3)支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。(4)工作电源:3.0〜5.5V/DC(可以数据线寄生电源)。(5)在使用中不需要任何外围元件。(6)测量结果以9~12位数字量方式串行传送。DS18B20温度传感器可编程的分辨率为9-12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。试验证明DS18B20温度传感器满足本设计要求。DS18B20温度传感器封装一般有2种，使用上都是一样的。可以根据使用环境随意选择。第一种是直接是裸露的芯片，主要用于空气温度检测。第2种是不锈钢钢管封装好的，防水，一般用于水温灯液体温度检测。实物图如图3-17,图3-18：16

图3-17DS18B20传感器实物图（裸露）图3-18DS18B20传感器实物图（防水）DS18B20温度传感器原理图如图3-19。10K电阻为上拉电阻，保证DS18B20传感器数据读取更稳定。17

U2DS18B20图3-19DS18B20温度传感器原理图DS18B20温度传感器PCB封装图如图3-20：图3-20DS18B20温度传感器PCB封装图18第四章系统软件设计完整的控制系统由硬件系统和软件系统组成，前一章主要阐述了系统的硬件电路的设计方案，若要充分发挥系统的设计功能，则需要支持硬件平台的软件程序，即烧写到单片机内部的程序。本设计利用ARM为控制中心，采用的的是STM32F103C8T6芯片，开发环境是KeiluVision5byARM软件，这款开发环境是目前STM32单片机系统的主流软件，使用的非常频繁。程序的烧录使用的是PL2303下载器。编程语言选择由于整个程序比较复杂，且计算量较大，用到了较多的浮点数计算，所以程序的编写采用了C语言。对于大多数32系列的单片机，使用C语言这样的高级语言与使用汇编语言相比具有如下优点：（1）不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构。（2）寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理，编程时不需要考虑存储器的地址和数据类型等细节。（3）指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性。（4）可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。（5）与使用汇编语言相比，程序的开发和调试时间大大缩短。（6）C语言的库文件提供了许多标准的例程。（7）通过C语言可实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加到新程序中。（8）C语言可移植性好且非常普及，C语言编译器几乎适用于所有的目标系统，己完成的项目可以很容易的转换到其它的处理器或环境中与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势，易学易用。单片机程序开发环境本文设计ARM开发环境是KeiluVision5,是目前嵌入式比较流行的开发环境，KeiluVision5是ARM公司研发出最新一代关于ARM处理器的编译、连接和调试一体化软件。KeiluVision5不仅提供了完整的Windows开发环境界面，支持C/C++语言开发，而且其C语言编辑效率很高，能够使开发者非常便利地利用C语言进行研发。如图4-1KeiluVision5开发界面图。其中Keil有以下特点:Keil同时支持WINXP和WIN7等多种操作系统，提供了丰富的库函数和功能强大的开发工具;19

Keil可以完成从编辑、编译、连接、调试和最后进行仿真的一整套研发过程;KeiluVision5在KeiluVision4IDE的基础上，增加了很多新的功能。如KeiluVision5更加增强了对Cortex-M内核微控制器的开发支持，并对KeiluVision4的开发形式和开发界面进行相应的改进。ARM软件开发流程ARM开发首先需要建立“Project”工程，点击KeiluVision5界面中菜单中“Project"，选择“NewuVisionProject”，为新建的工程命名后点击保存；然后选择开发单片机芯片的型号，本工程选择STM32F103C8T6，这样就完成了“Project”的建立；当工程建立完毕后，点击“SourceGroup”，可以往里面添加.c文件，点击Add就可以编辑了该文件了，也可以把常用的.c文件拷贝到建立的金可。戊”目录下面，最后一个完成的工程软件就建立完毕了。具体工程开发如图4-1，图4-2所示。AlbfrllWIMFr411rxilMI£lArgPwUlBOIkFaAHivfjiWfWIAHMpPi”rl1-iinUIL'lx.un.lIC1irmUIL'k.MurL口HSiflpwmc目HIJcWapc自多”卜deiPi”rl1-iinUIL'lx.un.lIC1irmUIL'k.MurL口HSiflpwmc目HIJcWapc自多”卜dei4ifiiasiL^Ji口TtlSrT.fcQTjfflwr.rmJ^IMiiRiUlUK<»l_]<inUILOK_*d£.1LJi!si32iUXjgp；<Fji«"S2，U>ur-r口TE，〃L®vrx1目iimUllA<_nci<E--]jiJiUllAf.Em.1Cl!TU1UIL^_m4W占MmdtJJiCK□ 血h□《crLcml*|C13E»HjnTi>a]I1i■：liia3ILlXi>Aill日ii"J2IUXj«!kL]Tt"稣1口版上旧nTtwSJlLSKjgpis口linUlblKjiAr.白！0工1口1二1£/《上FlciviaJILAi_ArJi□《”q打0片ijLJi!"H2>UXaw口ITRKh!■Quiarth

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三、PL2303串口烧写模块与单片机的具体接线图如图4-4所示。图4-4PL2303串口烧写模块与单片机接线图程序流程图本系统设计主要采用KeiluVision5软件编写与调试程序，程序语言采取易读性和移植性更高的C语言编写。系统运行流程图如图4-5所示。23图4-5系统运行流程图第五章系统焊接与调试电路焊接手工的焊接控制方法是常用原始的手工焊接控制方法,目前大量使用工厂焊接的元器件生产基本上不需要再采用原始的方法了,但是普通电子元器件的生产中在修理、系统测试中经常需要使用原始的手工方法进行焊接。重要的一点就是,假如焊接控制系统本质上的结构出现了问题,则焊接会影响涉及到整个焊接控制系统的。可以这么说，焊接的问题会导致控制系统能否继续使用。手工焊接主要是由通过如下四步组成的：第一步开始焊接：需要把元器件和需要同时进行电极焊接的每一个焊接地方都打扫干净，主要目的是为了去处理掉油迹和一些小的灰尘，然后把元器件和需要同时进行电机焊接的其它两个元器件的两个焊接脚相交成对角向一定的焊接角度两个方向分别用手掰一掰，注意不能把需要进行焊接一个元器件的两个焊接脚和需要焊接的锡头直接相交在一起了，这样的就会严重直接影响需要进行焊接的。接下来还需要注意让两个小的电电焊烙锡在铁头的一个脚下触碰到其它一些需要直接进行电电焊接的其它电子元器件脚下，放上少量的电电焊锡丝。此处还记得需要特别注意的一点就是，不能直接试图让两个驱动电机的烙锡磁铁头的两个脚直接碰到其它两个需要进行焊接烙锡元器件的两个电铁脚了，要不然两个烙锡电铁头就可能会把两个其它焊接元器件的两个脚完全焊接在一起了。第二步给焊接升温：当在完成第一步以后，接下来就是开始加热电烙铁焊锡丝了，主要操作是将烧热的锡丝和电烙铁放在焊接元器件的管脚旁边，慢慢的融化加热焊锡丝，需要特别注意调整电烙铁的焊盘温度和电烙铁加热的时间，若时间调整的过长，很快就有可能会直接焊坏电烙铁的面包板或者焊盘的，一般是建议电烙铁在焊盘的温度加热时间调整在400℃左右，加热2秒钟左右，例外也是需要根据电烙铁元器件的种类和厚度来作出具体调整和区别的。在电烙铁焊接的过程中，当需要把已经焊接好24的电烙铁元器件全部卸下来，则也是需要花时间给电烙铁在焊接处进行加热的，主要操作第一步就是首先在电烙铁焊接处进行修补好电烙铁焊锡丝,使得焊点是圆润的,然后花时间用电烙铁在焊接处进行加热,在电烙铁加热的最后一个过程中就是可以直接把电烙铁元器件全部卸下来了，此时一定是需要主要注意加热时间，要不然也可能会严重的损坏整个焊盘的。第三部清理焊接面：当在完成第二步时,有的这个时候会出现没有观察到自己焊接的不完美或者是担心出现虚焊的情况，这时候是需要进行一些修改的。主要来说就是两种时候出现情况的，第一种情况是出现焊锡不够,焊接点不圆润，这时候需要在焊接处进行补焊锡，此时需要特别注意的一点是焊锡量不能补多，要不然容易无法连接到其它期间的引脚的。第二种情况是出现焊锡过多，这时候可以考虑用电烙铁把锡放在焊接处来回的上下滑动，会把多余的电烙铁和焊锡全部带走的，若不行,只能直接使用吸锡器了。第四部检查焊点：当完成以上三步了，最后就需要整体观察了，主要是观看焊接点是不是圆满、亮度好、紧固，有没有与其它管脚相连在一起了。系统调试整体系统上电调试前，大概观察下焊接的系统还存在问题，例如还有很显眼的断裂，正负极接反以及相连、虚焊、等问题，然后用万用表检测一下，电源正负极之间是否短路等严重的电源问题，最终保证系统焊接没有问题。在搭建调试平台后，需要对软件程序进行调试，若程序调试没有问题，接下来开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止。系统程序调试软件调试步骤如下：（1）在KeiluVi