《基于單片機的寵物定位與健康檢測系統(tǒng)的設(shè)計》7300字（論文）

基于單片機的寵物定位與健康檢測系統(tǒng)的設(shè)計摘要 [9]。傳感器可以戴在人的手指或動物的脖頸處，隨著脈搏跳動，手指和頸部的動脈血容量發(fā)生周期性變化，透過的光強度同時發(fā)生變化。另外一邊的光電三極管把接收到的紅外光信號轉(zhuǎn)換成電信號。接口說明：（1）+外接5V（2）-外接GND（3）S輸出接口（0和1）脈搏心率傳感器模塊實物圖如圖3-5所示：圖3-5脈搏心率傳感器模塊實物圖此脈搏心率傳感器理論上輸出的波形如圖3-6所示：圖3-6脈搏心率傳感器輸出波形圖在實際中，做出的實驗波形圖如圖3-7所示：圖3-7實驗波形圖上圖所示這并不是標(biāo)準(zhǔn)的方形波，所以再用LM393比較器進(jìn)行一次波形實驗，為了確保信號的輸出更加穩(wěn)定，要測量出方形波。LM393比較器輸出的波形圖在圖3-8展示出來：圖3-8脈搏心率傳感器經(jīng)比較器濾波后輸出的波形圖LM393比較器模塊對Pulsesensor脈搏心率傳感器模塊濾波的電路原理圖如圖3-9所示：圖3-9心率檢測原理圖其中R4電阻用來限制電流，將LM393比較器模塊檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，并與LM393比較器芯片2號引腳所接的電位器分壓后的模擬電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而得出數(shù)字信號，也就是一個方波信號。C1和C2是濾波電容，通過C1電容來過濾高頻的干擾，使電源的輸出更加穩(wěn)定。利用C2電容過濾低頻干擾，確保了模擬信號的穩(wěn)定。R2為限流電阻，用來保護(hù)發(fā)光二極管，防止發(fā)光二極管被燒壞，所有的發(fā)光二極管都為低電平。R4是上拉電阻器，上拉就是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，以此起到限流的效果。使得LM393比較器輸出的高、低電平信號在與單片機引腳連接時，能夠更加穩(wěn)定的讀取電平信號14]。心率檢測電路圖如圖3-10所示：圖3-10心率檢測電路圖3.4溫度傳感器本文采用DS18B20去采集溫度，它輸出的是數(shù)字信號，溫度傳感器用一根線便可以與心率傳感器連接到一起，由于它的材料耐磨不易壞，體積非常小，抗干擾能力強，封裝形式多樣（主要有TO-92、SOP8和DIP8），所以適用于可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的設(shè)計。DS18B20溫度傳感器中的上拉電阻目的是保持?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性。DS18B20測溫系統(tǒng)的優(yōu)點有測溫系統(tǒng)使用方便、測溫精度高、占用口線少等。DS18B20溫度傳感器原理圖見圖3-11所示：圖3-11DS18B20溫度傳感器接口圖DS18B20溫度傳感器PCB封裝圖如圖3-12所示：圖3-12DS18B20溫度傳感器PCB封裝圖3.5顯示模塊LCD顯示器可分為兩類，一是字段顯示，二是字符顯示。其中字段顯示與LED顯示一樣，只需將相應(yīng)的信號發(fā)送到相應(yīng)的管腳即可。字符的顯示是在必要時顯示基礎(chǔ)的字符。本文采用的是字符型顯示。在本系統(tǒng)中，LCD1602顯示器是一種用于輸出信息的顯示裝置。LCD顯示模塊體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富，且無需額外的驅(qū)動，現(xiàn)在已經(jīng)是單片機應(yīng)用設(shè)計中最普遍的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個字符串。在本系統(tǒng)中，LCD1602是一種用于輸出信息的顯示裝置。在此電路中，電位計能夠調(diào)整LCD的對比度，也就是清晰度。電路原理圖如圖3-13所示：圖3-13LCD1602液晶顯示電路圖3.6藍(lán)牙模塊本文采用的是HC-05藍(lán)牙模塊，是基于BluetoothSpecificationV2.0帶EDR藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模塊，其使用郵票孔封裝方式，尺寸較小，所以適用于嵌入健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計之中，HC-05模塊可直接與安卓手機攜帶的藍(lán)牙功能相互連接，其自帶LED燈，可以直接判斷藍(lán)牙的連接狀態(tài)。其中，RXD接口接收串口數(shù)據(jù)，通過無線電波將數(shù)據(jù)發(fā)送到空中，安卓手機的APP手機會接收信息，提供串口測試功能，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示，并從TXD還原單片機通信模塊所發(fā)送的串口數(shù)據(jù)信息。APP基于安卓手機安裝運行，直接通過網(wǎng)上開源的軟件包進(jìn)行安裝，后期測試可以完全實現(xiàn)功能，藍(lán)牙連接與APP運行會在后面實物圖呈現(xiàn)。藍(lán)牙將采集到的溫度、心率和運動距離和運動步數(shù)發(fā)送給手機APP，APP進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。單片機藍(lán)牙功能圖如圖3-14所示：圖3-14單片機藍(lán)牙功能圖3.7GPS定位模塊M-87是一款超小型25.4x25.4x7毫米GPS引擎基板，它基于低功耗MediatekGPS解決方案而開發(fā)的。該系統(tǒng)具有高性能、低功耗、體積小、易于組合等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計本系統(tǒng)的設(shè)計由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。上一章主要對系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行寫作，要想實現(xiàn)系統(tǒng)的運行少不了對程序代碼的編寫，下面將會對軟件系統(tǒng)設(shè)計部分展開詳細(xì)描述。主要分為溫度檢測模塊、運動狀態(tài)檢測模塊、心率檢測模塊。本次設(shè)計以KeiluVision5Inarm為開發(fā)環(huán)境，以C語言為主要開發(fā)語言。4.2系統(tǒng)子程序設(shè)計4.2.1溫度檢測模塊溫度傳感器開始工作，進(jìn)行溫度采集，溫度傳感器將數(shù)據(jù)反饋給STM32單片機，單片機先由設(shè)定的程序判定，如果采集到溫度在規(guī)定范圍值內(nèi)則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。部分程序如下：shortDS18B20_Get_Temp(void){u8temp;u8TL,TH; shorttem;DS18B20_Start();//ds1820startconvertDS18B20_Rst();DS18B20_Check(); DS18B20_Write_Byte(0xcc);//skipromDS18B20_Write_Byte(0xbe);//convert TL=DS18B20_Read_Byte();//LSBTH=DS18B20_Read_Byte();//MSB if(TH>7){TH=~TH;TL=~TL;temp=0;//溫度為負(fù)}elsetemp=1;//溫度為正 tem=TH;//獲得高八位tem<<=8;tem+=TL;//獲得底八位tem=(float)tem*0.625;//轉(zhuǎn)換 if(temp)returntem;//返回溫度值 elsereturn-tem;}4.2.2心率檢測模塊心率傳感器采用紅外線傳感器，采用紅外線感應(yīng)原理，運動狀態(tài)檢測后將數(shù)據(jù)反饋給STM32單片機，單片機先由設(shè)定的程序判定當(dāng)前的心率值，如果再規(guī)定范圍值內(nèi)則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。部分程序如下：unsignedintxlTab[5];//心率數(shù)組unsignedcharcount=0; //心率濾波計數(shù)unsignedintxinLater=0;// 心率延時處理unsignedintxinLv=0;//心率值4.2.3運動狀態(tài)檢測模塊運動狀態(tài)檢測后將數(shù)據(jù)反饋給STM32單片機，單片機先由設(shè)定的程序判定當(dāng)前的運動狀態(tài)是否在規(guī)定范圍內(nèi)如果在規(guī)定范圍內(nèi)則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測。部分程序如下：if(ReadAdxl345==1)//定時讀取adxl345數(shù)據(jù){ReadAdxl345=0;ReadData_x(); //三軸檢測函數(shù)CheckNum++;if((temp_Y>450)||(temp_Y<-450))//查看正常次數(shù)if((Error_num!=0)&&(Normal_num!=0))//檢測到步數(shù){ BuShu++;//步數(shù)脈沖量++Error_num=0;//清除一個周期檢測Normal_num=0;}} if(disFlag==1) //顯示標(biāo)志 { disFlag=0 readTemp++;//定時計數(shù)}5.系統(tǒng)功能測試5.1實物圖展示實物圖如圖5-1所示，以下測試的數(shù)據(jù)都由實物測試來完成。GPS模塊藍(lán)牙模塊運動狀態(tài)檢測模塊LCD1602顯示屏STM32單片機心率檢測模塊GPS模塊藍(lán)牙模塊運動狀態(tài)檢測模塊LCD1602顯示屏STM32單片機心率檢測模塊圖5-1實物圖展示5.2心率的測量利用脈搏心率傳感器采集心率。在寵物處于穩(wěn)定不運動的前提下，采用寵物脈搏進(jìn)行實驗。將測量的群體分為兩組；一組為心率正常，另一組為心率不正常。然后去測試正常心率值和不正常心率值。將正常范圍值規(guī)定為80-120次，分別將低于正常值和高于正常值做了進(jìn)行了匯總。表5-1心率測量數(shù)值表序號實際寵物心率值測量心率值10029090375754737058077672707103103測試的心率結(jié)果圖在顯示屏進(jìn)行顯示。X代表心率數(shù)值。正常的心率值實驗圖片如圖5-2所示：不正常的心率數(shù)值如圖5-3所示：圖5-2正常的心率值實驗圖片圖5-3不正常心率值實驗圖經(jīng)過多次測量得出平均值，智能穿戴設(shè)備測到的心率基本與實際寵物實際心率符合，實驗數(shù)據(jù)里心率誤差最高相差了3。實驗中設(shè)置的心率最小值為0，最大值為103次，心率值越大測量的結(jié)果越精準(zhǔn)。5.3溫度的測量利用DS18B20傳感器采集溫度，利用寵物體表溫度進(jìn)行實驗。將測量群體分為兩類一類為正常溫度，另一類為不正常溫度。規(guī)定正常的溫度范圍值為20-27度，我們分別將低于正常值和高于正常值做了進(jìn)行了匯總。如表5-2所示：表5-2溫度采集數(shù)據(jù)序號實際體表溫度值測量體表溫度值12626.12202232727.1423205222062120726.126.1測試的溫度結(jié)果圖在顯示屏進(jìn)行顯示。 顯示屏的X后面一行代表實驗的溫度數(shù)值。正常的溫度值實驗圖片如圖5-4所示：不正常的溫度數(shù)值如圖5-5所示：圖5-4正常溫度值圖5-5不正常的溫度數(shù)值經(jīng)過多次測量求出平均值得出溫度誤差理論上存在1-2度的誤差，經(jīng)試驗證明誤差小于理論誤差，準(zhǔn)確率超出了理論數(shù)據(jù)；由此可以得出溫度越高，測得的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。實驗結(jié)果符合理論數(shù)值。5.4運動狀態(tài)的測量5.4.1運動步數(shù)的檢測通過ADXL345傳感器去檢測運動狀態(tài)。將傳感器放在寵物身上，采用正常行動的方式進(jìn)行測試。進(jìn)行運動步數(shù)的檢測如表5-3所示：表5-3運動步數(shù)檢測表序號實際運動步數(shù)測量運動步數(shù)15426533341010544698786測試的運動步數(shù)結(jié)果圖在顯示屏進(jìn)行顯示。顯示屏的BS代表實驗的步數(shù)數(shù)值。如圖5-6所示：圖5-6運動步數(shù)檢測實驗圖5.4.2運動距離的測量通過ADXL345傳感器去檢測運動狀態(tài)。將傳感器放在寵物上，進(jìn)行測試。一共測試七組數(shù)據(jù)。求得平均值。進(jìn)行運動距離的檢測如表5-4所示：表5-4運動距離檢測表序號實際運動距離測量運動距離1002883202041814556699786測試的運動距離結(jié)果圖在顯示屏進(jìn)行顯示。顯示屏的JL代表實驗的距離數(shù)值。如圖5-7所示：圖5-7運動距離檢測實驗圖經(jīng)過多次測量求出運動距離平均值。檢測到的步數(shù)與距離成正比，測出步數(shù)距離也就隨之檢測出結(jié)果。5.5GPS定位測量利用GPS定位模塊采集位置數(shù)據(jù)，測試的定位結(jié)果在顯示屏中顯示，屏中E代表經(jīng)度，N代表緯度。如圖5-8所示。圖5-8GPS定位測量實驗圖6.總結(jié)本文主要采用STM32單片機為核心控制器，結(jié)合硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完成寵物健康檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)，通過DS18B20溫度傳感器模塊、脈搏心率傳感器模塊、ADXL345運動傳感器模塊、GPS定位模塊，分別對溫度、心率、運動狀態(tài)、GPS位置進(jìn)行了多次實驗獲取數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)得出溫度越高測得數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確；心率越高測得數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。對獲取的數(shù)據(jù)取平均值，發(fā)現(xiàn)實際數(shù)值與實驗數(shù)值存在誤差。產(chǎn)生誤差的原因可能是由于每個時間段溫度、心率不同導(dǎo)致實驗誤差的存在。運動距離和步數(shù)產(chǎn)生的誤差可能是由于在實驗過程中胳膊揮動的范圍不同。但這些誤差是在可接受的范圍內(nèi)的，這表明手環(huán)實現(xiàn)了預(yù)想的功能，當(dāng)有異常數(shù)據(jù)發(fā)生時可以做到準(zhǔn)確的測量和顯示。此外，本次設(shè)計仍然存在許多缺陷不足，在今后要加以完善。第一，GPS獲取信號等待時間較長，且信號不穩(wěn)