基于stm32的便携式体检仪.docx

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基于stm32的便携式体检仪

编号

本科生毕业设计

基于STM32的便携式体检仪

PortablephysicalexaminationdevicebasedonSTM32

学生姓名

专业

学号

指导教师

学院

二〇一一年六月

毕业设计（论文）原创许诺书

1．本人许诺：

所呈交的毕业设计（论文）《基于STM32的便携式体检仪》，是认真学习明白得学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不剽窃他人的工作内容。

2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究功效，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要奉献的个人和集体均已在文中注明。

3．在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

4．本人完全了解学校关于保留、利用毕业设计（论文）的规定，即：

依照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，许诺被查阅和借阅；学校能够采纳影印、缩印或其他复制手腕保留毕业设计（论文），能够发布其中的全数或部份内容。

以上许诺的法律结果将完全由本人承担！

作者签名：

年月日

摘要

本文设计一个综合功能的便携式体检仪，将身高测量、体重测量、体温测量、血氧饱和度测量、血压测量、肺活量测量、心电测量等多个功能集成一体。

本便携式体检仪采纳STM32为核心操纵模块，该核心模块包括STM32小系统，液晶屏触摸电路，SD卡贮存电路，按键电路等经常使用的面向用户的模块。

通过各外围测量电路测量各类生理参数。

本便携式体检仪的设计要紧针对国内的社区卫生医疗体系不能配备完善的医疗检测仪器的当前情形，通本体检仪实现人体要紧生理指标的检测，大大提升社区医疗的完善，让社区医疗保险制度走向成熟，推动小康社会的建设。

关键词：

便携式体检仪STM32社区医疗

Abstract

Thispaperdesignsaportablephysicalexaminationdevicewithcomprehensivefunctions,theheight,weight,measurement,temperaturemeasurement,oxygensaturation,bloodpressuremeasurement,vitalcapacity,Ecgmeasurement,andmanyotherfunctionalintegration.ThisportablephysicalmedicaldeviceUSESSTM32asthecorecontrolmodule,thiscoremodulesincludingtheSTM32system,LCDtouchcircuit,SDcardstoragecircuit,keycircuitandothercommonlyusedmoduleforusers.Throughtheperipheralcircuitmeasurementsofphysiologicalparameters.Theportablephysicalmedicaldevicedesignismainlyaimedatthedomesticcommunityhealthsystemcannotbeequippedwithperfectmedicaltestinginstrumentofthecurrentsituation,throughthemedicalinstrumentfordetectinghumanbodymainphysiologicalindexes,greatlypromotedtheimprovementofthecommunityhealth,communitymedicalinsurancesystemtomature,tofacilitatetheconstructionofawell-offsociety.

Keywords:

Portablemedicaldevice;STM32;imageprocession

第1章绪论

引言

我国正大力推动全面小康社会建设，社区卫生医疗系统是其中的一个重点。

国外的社区医疗保险制度已经相当做熟，我国的社区医疗体系还处于起步时期。

此刻的社区医疗现状是：

大病小病都往大医院跑，因此大中医院就要承担大部份的医疗压力。

尽管政府推出的大力进展社区医院政策，由于社区医院的资金紧张不可能配备完善的医疗检测仪器，因此便携式医疗仪器的进展及在社区中推行利用显得尤其重要。

本文设计的一个便携式体检装置，用以体检人体的要紧就不生理指标，比如身高、体重、血压等，辅助社区医生的诊断。

健康医疗现状

社会节拍的加速致使人们照顾小孩（尤其是婴幼儿）、老人的时刻和精力都大为减少，而婴幼儿患肺炎等一系列疾病都会在其体温、呼吸频率等指标上得以反映（医学说明肺炎患者的呼吸频率明显异样），老年疾病那么体此刻血压等指标上。

另外，现代社会的人对锻炼躯体的重视程度不断提高，愈来愈多的人加入到了运动的行列，而如何衡量自己锻炼的质量和锻炼后的躯体状况，这却需要运动爱好者有自我保健意识，比如了解自己在训练完毕一按时刻后，脉搏、呼吸频率等体能指标是不是已恢复到正常状态（正常情形下，运动终止后，在规定的数分钟内，心率和呼吸频率等都应慢慢恢复）。

上述两方面的需求告知咱们，有必要设计一些简单方便的医疗电子系统来辅助人们照顾婴幼儿、老年人等群体，用于监管这些弱势群体的健康状况，测量婴幼儿的体温及呼吸频率，测量老年人的血压;同时也用于辅助测量脉搏等与运动相关的体能指标，供运动爱好者监管自己运动后的躯体状态。

可是，目前市场上类似的医疗电子产品多为单一功能系统，限制了应用范围，而随着 “系统集成化”的进展趋势一步步推动，只能实现上述单一功能的单一系统将慢慢被淘汰，设计出能实现综合功能的系统那么是大势所趋。

单片机

单片机是一种集成电路芯片，是采纳超大规模集成电路技术把具有数据处置能力的中央处置器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、按时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上组成的一个小而完善的微型运算机系统，在工业操纵领域的普遍应用。

1.3.1概述

单片微型运算机简称单片机，是典型的嵌入式微操纵器，经常使用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微操纵器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个运算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器，操纵器，存储器，输入输出设备组成，相当于一个微型的运算机（最小系统），和运算机相较，单片机缺少了外围设备等。

归纳的讲：

一块芯片就成了一台运算机。

它的体积小、质量轻、价钱廉价、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习利用单片机是了解运算机原理与结构的最正确选择。

它最先是被用在工业操纵领域。

由于单片机在工业操纵领域的普遍应用，单片机由仅有CPU的专用途理器芯片进展而来。

最先的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使运算机系统更小，更易集成进复杂的而对体积要求严格的操纵设备当中。

INTEL的8080是最先依照这种思想设计出的处置器，那时的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8051，尔后在8051上进展出了MCS51系列单片机系统。

因为简单靠得住而性能不错取得了专门大的好评。

尽管2000年以后ARM已经进展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到此刻基于8051的单片机还在普遍的利用。

在很多方面单片机比专用途理器更适合应用于嵌入式系统，因此它取得了普遍的应用。

事实上单片机是世界上数量最多处置器，随着单片机家族的进展壮大，单片机和专用途理器的进展便分道扬镳。

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。

电话、、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑和鼠标等电子产品中都含有单片机。

汽车上一样配备40多片单片机，复杂的工业操纵系统上乃至可能有数百片单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他运算机的总和，乃至比人类的数量还要多。

1.3.2单片机的应用领域

单片机渗透到咱们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各类仪表的操纵，运算机的网络通信与数据传输，工业自动化进程的实时操纵和数据处置，普遍利用的各类智能IC卡，民用奢华轿车的平安保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的操纵，和程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动操纵领域的机械人、智能仪表、医疗器械和各类智能机械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批运算机应用与智能化操纵的科学家、工程师。

单片机普遍应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化治理及进程操纵等领域，大致可分如下几个范围：

智能仪器。

单片机具有体积小、功耗低、操纵功能强、扩展灵活、微型化和利用方便等优势，普遍应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采纳单片机操纵使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采纳电子或数字电路加倍壮大。

例如周密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各类分析仪）。

工业操纵。

单片机具有体积小、操纵功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和利用方便等优势，用单片性能够组成形式多样的操纵系统、数据搜集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机械人等应用操纵系统。

例如工厂流水线的智能化治理，电梯智能化操纵、各类报警系统，与运算机联网组成二级操纵系统等。

家用电器。

家用电器普遍采纳了单片机操纵，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

网络和通信。

现代的单片机普遍具有通信接口，能够很方便地与运算机进行数据通信，为在运算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备大体上都实现了单片机智能操纵，从电话，机、小型程控互换机、楼宇自动通信呼唤系统、列车无线通信、再到日常工作中到处可见的移动，集群移动通信，无线电对讲机等。

设备领域。

单片机在医用设备中的用途亦相当普遍，例如医用呼吸机，各类分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼唤系统等等。

模块化系统。

某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各类电路中进行模块化应用，而不要求利用人员了解其内部结构。

如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于运算机的原理。

如：

音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微操纵器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于改换。

汽车电子。

单片机在汽车电子中的应用超级普遍，例如汽车中的发动机操纵器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子操纵器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。

另外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分普遍的用途。

1.3.3STM32单片机

STM32系列基于专为要求高性能、低本钱、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。

按性能分成两个不同的系列：

STM32F103“增强型”系列和STM32F101“大体型”系列。

增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；大体型时钟频率为36MHz，以16位产品的价钱取得比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最正确选择。

两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。

时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于MHz。

除新增的功能强化型外设接口外，STM32互连系列还提供与其它STM32微操纵器相同的标准接口，这种外设共用性提升了整个产品家族的应用灵活性，使开发人员能够在多个设计中重复利用同一个软件。

新STM32的标准外设包括10个按时器、两个12位1-Msample/s模数转换器（交织模式下2-Msample/s）、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。

新产品外设共有12条DMA通道，还有一个CRC计算单元，像其它STM32微操纵器一样，支持96位唯一标识码。

新系列微操纵器还沿续了STM32产品家族的低电压和节能两大优势。

到的工作电压范围兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池，封装还设有一个电池工作模式专用引脚Vbat。

以72MHz频率从闪存执行代码，仅消耗27mA电流。

低功耗模式共有四种，可将电流消耗降至两微安。

从低功耗模式快速启动也一样节省电能；启动电路利用STM32内部生成的8MHz信号，将微操纵器从停止模式唤醒历时小于6微秒。

第2章便携式体检仪系统概述

系统概述

便携式采纳STM32为核心操纵模块，该核心模块包括STM32小系统，液晶屏触摸电路，SD卡贮存电路，按键电路等经常使用的面向用户模块。

在STM32核心模块周围外接各类测量生理参数的电路，包括身高模块、体重模块、血压模块、体温模块、肺活量模块、心电模块、血氧饱和度模块等。

各模块受STM32操纵独立工作，互不阻碍。

STM32操纵各个模块测量生理信号，再通过内部的AD采样口对各模块检测的电信号进行搜集，并依照各个模块的测量要求处置数据，把最后取得的生理指标数据显示到液晶屏上并保留到SD卡中，以便以后复查或提供给医生查看。

STM32F103VCT6芯片介绍

STM32F103VCT6属于中等容量增强型STM32单片机，采纳32位基于ARM核心的带256K字节闪存的微操纵器，拥有USB,CAN,7个按时器，2个ADC,9个通信接口，普遍应用于各个行业。

2.2.1芯片特点与原理

STM32F103VCT6采纳ARM32位Cortex-M3CPU内核，最高工作频率72MHz，MHz。

单周期乘法和硬件除法。

片上集成32-512KB的Flash存储器。

6-64KB的SRAM存储器。

采纳的电源供电和I/O接口的驱动电压。

POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。

4-16MHz的晶振。

内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。

内部40kHz的RC振荡电路。

用于CPU时钟的PLL。

带校准用于RTC的32kHz的晶振。

系统具有3种低功耗模式：

休眠，停止，待机模式。

为RTC和备份寄放器供电的VBAT。

片上具有串行调试（SWD）和JTAG接口。

芯片集成12通道DMA操纵器。

支持按时器，ADC，DAC，SPI，IIC和USART。

芯片带有2个12位的us级的A/D转换器（16通道）（A/D测量范围：

V）具有双采样和维持能力。

片上还集成了一个温度传感器。

2通道12位D/A转换器：

STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。

系统具有112个的快速I/O端口，所有的端口都能够映射到16个外部中断向量。

除模拟输入，所有的都能够同意5V之内的输入。

集成了11个按时器：

4个16位按时器，每一个按时器有4个IC/OC/PWM或脉冲计数器。

2个16位的6通道高级操纵按时器：

最多6个通道可用于PWM输出。

2个看门狗按时器（独立看门狗和窗口看门狗）。

Systick按时器：

24位倒计数器。

2个16位大体按时器用于驱动DAC。

集成多达13个通信接口：

2个IIC接口（SMBus/PMBus）。

5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试操纵）。

3个SPI接口（18Mbit/s），两个和IIS复用。

CAN接口（）。

USB全速接口。

SDIO接口。

芯片采纳ECOPACK封装形式。

STM32F103VCT6芯片内核如以下图（图2-1）：

图2-1STM32F103VCT6芯片内核图

2.2.2Cortex-M3核概述

Cortex-M3采纳了新型的单线调试（SingleWire）技术，专门拿出一个引脚来做调试，从而节约了大笔的调试工具费用。

同时，Cortex-M3中还集成了大部份存储器操纵器，如此工程师能够直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍。

ARMCortex-M3处置器结合了多种冲破性技术，令芯片供给商提供超低费用的芯片，仅33000门的内核性能可达MHz。

该处置器还集成了许多紧耦合系统外设，令系统能知足下一代产品的操纵需求。

ARM公司希望Cortex-M3核的推出，能帮忙单片机厂商。

Cortex的优势应该在于低功耗、低本钱、高性能3者的结合。

Cortex若是能做到合理的低功耗（确信要比Arm7&Arm9要低，但不大可能比430、PIC、AVR低）+合理的高性能（10~50MIPS是比较可能显现的范围）+适当的低本钱（1~5$应该可不能奇怪）。

简单的低本钱不大可能比典型的8位MCU低。

关于已经有8位MCU的厂商来讲，比如Philips、Atmel、Freescale、Microchip还有ST和SiloconLab，不大可能用Cortex来打自己的8位MCU。

关于没有8位MCU的厂商来讲，固然是另外一回事，但他们在国内进行推行的实力在短时间内还不够。

关于已经有32位ARM的厂商来讲，比如Philips、Atmel、ST，又不大可能用Cortex来打自己的Arm7/9，对他们来讲，比较合理的定位把Cortex与Arm7/9错开，即<40MIPS的性能+低于Arm7的价钱，固然功耗也会更低些；固然如此做的结果极可能是，断了16位MCU的后路。

关于仍然在推行16位MCU的厂商来讲，比如Freescal、Microchip，处境比较为难，因为Cortex大体上能够完全替代16位MCU。

因此，以后的1～2年，来自新厂商的Cortex比较值得期待－包括国内的供给商；关于已有32位ARM的厂商，情形比较有趣；关于16位MCU的厂商，反映比较成心思。

CX20206A芯片介绍

CX20206A是一款红外检波接收的专用芯片，经常使用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常采纳的载波频率为38kHz与测距超声波频率40kHz较为接近，能够用它作为超声波检测电路。

实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断上。

当超声波接收头接收到40kHz方波信号时，将会将此信号通过CX20206A驱动放大送入单片机的外部中断口。

单片机在取得外部中断的中断请求后，会转入外部中断的中断效劳程序进行处置，在身高测量工作中，能够在中断效劳程序进行判定测量出的距离，然后通过减法运算得出被测量者的身高。

超声波模块介绍

TCT40-2T和TCT40-2S是超声波收发对，超声波发射采纳换能器TCT40-2T,超声波接收部份是将反射波接收到超声波接收换能器TCT40-2S，再进行转换成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整型等处置，利用索尼公司生产的集成芯片CX20206处置回波信号，取得一个负脉冲送给处置器处置。

AD590芯片介绍

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两头感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。

在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调剂器，调剂系数为1µA/K。

片内薄膜电阻通过激光调整，可用于校准器件，使该器件在（25°C）时输出µA电流。

AD590适用于150°C以下、目前采纳传统电气温度传感器的任何温度检测应用。

低本钱的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性化电路、周密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测和风速测定等。

AD590能够裸片形式提供，适合受爱惜环境下的混合电路和快速温度测量。

AD590专门适合远程检测应用。

它提供高阻抗

电流输出，对长线路上的压降不灵敏。

任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。

这种输出特性还便于AD590实现多路复用：

输出电流能够通过一个CMOS多路复用器切换，或电源电压能够通过一个逻辑门输出切换

MPX5010DP芯片介绍

MPX5010DP是0至10kPa内置硅压力传感器、温度补偿和校准。

该传感器集先进的维机械、薄膜金属化和双极性工艺于一身，可提供与所施压力成正比、精准的高电平模拟输出信号。

芯片0℃到85℃范围内的最大误差率为%，适用于基于微处置器或微操纵器的系统，采纳耐用型环氧材料单片式器件或塑料标贴封装，温度补偿范围为-40℃到+125℃。

第3章系统硬件设计

体检箱采纳STM32为核心操纵模块，该核心模块包括STM32小系统，液晶屏触摸电路，SD卡贮存电路，按键电路等经常使用的面向用户的模块。

在STM32核心模块周围外接各类测量生理参数的电路，包括身高模块、体重模块、血压模块、体温模块、肺活量模块、心电模块、血氧饱和度模块等。

各模块受STM32操纵独立工作，互不阻碍。

STM32操纵各个模块测量生理信号，再通过内部的AD采样口对各模块检测取得的电信号进行搜集，并依照各个模块的测量要求处置数据，把最后取得的生理指标数据显示到液晶屏上并保留到SD卡中，以便以后复查或提供给医生查看。

系统框图如下（图3-1所示）：

图3-1系统框图

身高模块设计

身高模块采纳超声波回波法测量身高。

将超声波收发探讨固定于距离地面2m的高度，依照超声波测距的原理测得反射超声波的阻挡的距离，假设忽略超声波探头间的距离再通过2m减去此距离即可取得人的身高。

超声发射采纳换能器TCT40-2T，由STM32发生40kHz的方波。

由于端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推免式电路进行功率放大，以便式发射距离足够远，知足测量距离的要求，最后发送给超声波发射换能器TCT40-2T以声波的形式发射到空气中。

超声波接收部份是将反射波接收到超声波换能器TCT40-2S，再进行转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整型等处置，那个地址利用了索尼公司生产的集成芯片CX20206处置回波信号，取得一个负脉冲送给STM32外部中断引脚，以产生一个中断。

通过计算发射和同意回的信号的时候差经计算可取得身高数据。

体重模块设计

体重模块采纳四个电阻应变片组成全桥臂电路，人体压力假设压在电阻应变片上那么会使其产生形变，再加上电源，依照在之上的压力大小会产生相应的电压，再通过放大滤波处置即可取得体重压力信号。

在测重台的四个角上放上四片电阻应变片，其中对角两个是受压力电阻上升的，另外两个是受压力电阻下降型的，如此使四个电阻应变片组成全臂电桥，再经并联零位补偿，使桥臂电阻达到平稳。

桥路输出通过差模放大以后再通过电压跟从得出输出结果，送到STM32模块。

体温模块设计设计

体温模块。

体温测量采纳AD590传感器。

AD590是AD公司生产的电流输出型集成温度传感器代表的产品，它利用PN结正向电流与温度的关系的原理制成。

当温度为零度时，即热力学温度为时流出AD590的电流为，在10K电阻上产生电压为。

依照传感器输出与温度的关系