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参赛队代码HLJ-A-008 2020年全国大学生电子设计竞赛 设 计 报 告 封 纸
2020年全国大学生电子设计竞赛 无线运动传感器节点设计（A题）
2020年10月13日
摘 要
本系统以STM32F103ZGT6单片机控制模块作为控制中心，结合TI模拟前端芯片ADS1292模块、温度传感器LMT70模块、ADXL345加速度传感器模块、HC-50蓝牙模块和液晶显示模块而成的测量显示系统。其中，控制核心STM 32负责对各部分测量数据的汇总与处理，并通过液晶屏幕显示出来；其中ADS1292模块负责心率的测量，通过串口发送到外接屏幕显示心率波形，LMT70模块负责对温度的测量，ADXL345三轴加速度传感器模块负责采集记录使用者的加速度，经由算法处理后得到使用者的步数。
关键词：STM32，ADS1292，ADXL345，LMT70，蓝牙。
目 录 1、系统方案 ...............................................................................................................1 1.1控制系统的论证与选择......................................................... 1 1.1.1 控制芯片的选用..........................................................................................1 1.1.2 控制系统方案选择......................................................................................1 1.2、加速度计的论证与选择...................................................... 1 2、理论分析与计算.................................................................................................. 2 2.1心电测量方法......................................................................... 2 2.2体表温度测量方法................................................................. 2 3、电路设计与系统软件设计.................................................................................. 2 3.1电路的设计...................................................................... 2 3.1.1电路框图....................................................................... 2 3.1.2子系统电路原理图....................................................... 3 3.1.2.1 STM32电路原理图.............................................................................3 3.1.2.2 ADXL456电路原理图.........................................................................3 3.1.2.3 HC-50电路原理图..............................................................................4 3.2 系统软件设计..................................................................... 5 3.2.1 程序功能描述.............................................................. 5 3.2.2程序流程图................................................................... 5 3.2.2.1主程序流程图............................................................ 5 3.2.2.2 测量心率子程序流程图........................................... 6 3.2.2.3 测量体表温度子程序流程图................................... 6 3.2.2.4 测量体表温度运动状态子程序流程图................... 6 4、测试方案与测试结果....................................................................................... 6 4.1心电测试方案与测试结果.............................................. 6 4.2 体表温度测试方案与测试结果..................................... 7 4.3 运动信息测试方案与测试结果..................................... 8 4.4测试结果分析.................................................................. 9 5、结论与心得 .....................................................................................................9 6、参考文献 ............................................................................................................9 附录：源程序 ............................................................................................................9
无线运动传感器节点设计（A题） 【本科组】 1、系统方案本系统主要由STM32单片机控制模块、ADS1292模块、温度传感器LMT70、模块ADXL345加速度传感器模块、HC-05蓝牙等模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 控制系统的论证与选择1.1.1控制芯片的选用 单片机比较 方案一：采用STC89C51单片机。51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制；并且仅有2个定时器，2路外部中断，显然难以满足此次任务的要求。 方案二：采用STM32单片机。其全部10口都可以作为中断输入，而不需要接到特定的几个脚上，极大的方便了原理图和PCB的设计。STM32支持J-link下载调试，大大提高了下载调试的效，更重要的是，STM32单片机具有硬件SPI模块，可以直接读取触屏控制寄存器通过比较。STM32最高时钟频率达到72M，使用STM32会使程序运行更高效。STM32性能强劲，性价比高。 综合考虑我们选择方案二，采用STM32单片机作为控制器。
1.1.2控制系统方案选择 方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统。 优点是在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，缺点是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。 方案二：自制单片机印刷电路板。自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。 方案三：采用单片机最小系统。单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。 综合考虑我们选择方案三，采用单片机最小系统。
1.2 加速度计的论证与选择方案一：采用三轴陀螺仪ADXL335。它提供经过信号调理的电压输出，能以最小±3g的满量程范围测量加速度。它可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度，以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。 方案二：采用六轴陀螺仪MPU6050。它集成了三轴MEMS陀螺仪，三轴MEMS加速度计以数字输出六轴、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。进行姿态融合和姿态解算后可以较为准确的返回一组数包括横滚角，俯仰角，航向角来表示使用者每个时刻的运动状态。 基于本次测试的任务，在五米距离上来回走动，属于比较简单的计步任务，并不需要获取太多的数据参数，因此综合考虑我们选择方案一，采用三轴陀螺仪ADXL335。
2、理论分析与计算2.1 心电测量方法 ADS1292R含有两个低噪声可编程增益放大器器(PGA)和和两个高分别率模数转换器器(ADC)，将心电采集所需要的部件进行集成。心电的测量主要在于心电波的采集。为此，在硬件部分加入了呼吸检测的滤波电路，可以对一些高频的检测呼吸的方波进行过滤。我们使用STM32进行驱动，读取ADS1292R的数据使用SPI连续读的方式，一次读取9个字节。其中前3个字节包含了电极状态，后面3+3个字节分别表示两个通道的数据，将读取到的数据经过处理之后发送到上位机，从而进行波形的显示。
2.2 体表温度测量方法温度测量
采用Lmt70模块，它是一款带有输出使能引脚的超小型、高精度、低功耗互补金属氧化物半导体模拟温度传感器。它具有18为高精度的AD芯片，通过输出模拟电压进行AD转换输出，分辨率达5.194mv/°C。3、电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1电路框图
系统总体框图如图1所示 file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif 图1 电路框图 3.1.2子系统电路原理图3.1.2.1STM32电路原理图 file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif 图2 STM32电路原理图
3.1.2.2 ADXL456加速度传感器电路原理图file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg 图3 MPU6050陀螺仪电路原理图 3.1.2.3 HC-50蓝牙模块电路原理图 file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif 图4 HC-50蓝牙模块电路原理图
3.2、系统软件设计
3.2.1 程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现心率、体温、步数的采集、记录、显示以及对数据的无线传输上传。 1）各模块实现的功能：采集心率、体温及步数的模拟量并将其转化为数字量，然后上传到服务器。 2）显示部分：显示心率、体温、步数和心电图。
3.2.2程序流程图3.2.2.1主程序流程图 如图5所示。 file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.giffile:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif 图5 主程序流程图 图6 心率测量流程图
3.2.2.2测量心率子程序流程图 如图6所示。
3.2.2.3测量体表温度子程序流程图 如图7所示。
file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.giffile:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif 图7 体温测量流程图 图8 运动状态测量流程图
3.2.2.4测量运动状态子程序流程图 如图8所示。
4、测试方案与测试结果
4.1心电测试方案与测试结果 先使用FK550心电模拟器调试校准，然后实际测量人体心率。测量数据如下表：
表1 测量心电模拟器实时心率
表2 人体实时心率
4.2 体表温度测试方案与测试结果
同时使用体温计和LMT70温度传感器测量同一个人的掌心温度。测量结果如下表：
表3 人体实时体温
file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.jpg file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.jpg 4.3 运动信息测试方案与测试结果 通过测试者在5米长的直线上来回运动，统计运动步数和运动距离。
4.4 测试结果分析根据上述测试数据可知，本系统基本满足各项指标。实现了对心率、心电、体表温度、步数及运动距离的测量、记录和上传，并通过外接液晶显示屏显示。 另外，ADS1292的信号易受到环境的干扰，因此我们采用了软件数字滤波和外部硬件屏蔽，使得心率和心电的测量结果准确率大幅度提升。 综上所述，本设计达到设计要求。
5、结论与心得经过四天三夜的努力奋斗，我们的作品已经达到了要求的指标。这是一个紧张而又充实的过程，在这个过程中，充满着忧愁也充满着快乐。每当我们调试好一个模块时都会高兴叫出来；但每当遇到算法难题时就会变得忧愁暴躁。虽然整个过程很枯燥、很痛苦，但这个比赛磨练了我们的意志、体能和身心，同时我们也学会了许多知识。最后，对帮助我们的老师表示深深的感谢。
6、参考文献[1] 谭浩强,C语言程序设计[M]，北京，清华大学出版社,2012 [2] 王淑娟，模拟电子技术基础[M]，北京，高等教育出版社，2009.07 [3] 杨春玲，王淑娟，数字电子技术基础[M]，北京，高等教育出版社，2011.06
附录1：源程序file:///C:/Users/86158/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.jpg
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