【分享】2021级丁妮婕、胡雅萱+STM32 的人体心率、体温、计...

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一、作品简介
在快节奏的现代生活中，人们对健康管理的需求愈发迫切。这款基于 STM32 的个人健康助手应运而生，它集成了心率、体温、计步等核心监测功能，为用户提供一站式的健康数据追踪服务。
该健康助手的设计旨在解决人们在日常生活中对便捷、精准健康监测的需求。传统的健康监测方式往往依赖专业医疗机构，操作不便且无法实现日常连续监测。而这款设备体积小巧，方便携带，用户可随时随地进行健康数据的采集。
其功能十分强大。通过先进的传感器技术，能够实时、精准地监测心率。采用光电式检测方法，利用血液流动对光的透过率或反射率变化转换成电信号，从而计算出心率数值。体温监测则借助热敏电阻阻值随温度变化的特性，准确测量体温。计步功能运用 BMI270 陀螺仪，通过采集运动数据、滤波、特征提取、步态分析等一系列复杂算法，精确统计步数。
无论是在运动健身时，了解自己的心率变化和运动步数，合理规划运动强度；还是在身体不适时，随时监测体温，及时发现潜在健康问题，这款健康助手都能发挥重要作用，真正成为人们日常生活中的健康小卫士。
二、作品工作原理

（一）测心率模块
光电式检测方法是该模块的核心原理，其利用光电传感器检测人体内血液流动时对光的透过率或反射率不同，巧妙地将其转换成电信号。具体而言，存在透射式与反射式两种方式。透射式是在一个大小适配的环的两侧，分别放置一个发射管和一个接收管。测量时，用户将手指伸入环中，随着手指中血流量的起伏变化，光电接收管的光电流也会相应改变。反射式则是光电发射与光电接收都指向同一方向，当人体内的血流发生变化时，其对光的反射率随之变动，进而检测出心率。
在实际的硬件电路设计中，由 5mm 红外接收管和发射管构成的透射式光电对管发挥着关键作用（如图 1 测心率模块电路图所示） 。原始脉搏信号产生后，需要经过一系列精细的信号处理电路。这一电路主要由低通滤波、信号放大、波形整形等三部分构成。其中，信号放大和波形整形通过双运算放大器实现。低通滤波的作用是去除信号中的高频噪声，使信号更加纯净；信号放大则是将微弱的脉搏电信号进行放大，以便后续的处理；波形整形将放大后的信号调整为规则的波形，便于准确地检测和计算心率。

（二）测体温模块
测体温模块的工作原理基于热敏电阻的独特特性，即其阻值会随着温度的上升而下降。具体的温度计算公式为：通过已知的热敏电阻在不同温度下的阻值关系来计算当前温度。其中，T1 和 T2 指的是 K 度（开尔文温度，开氏度 = 摄氏度 + 273.15） ， 是热敏电阻在 T1 温度下的阻值，R 是热敏电阻在 T2 常温下的标称阻值（如 50K 的热敏电阻在 25℃的值为 50K，即 R = 50K ，此时 T2 = 273.15 + 25） ，B 是热敏电阻的固有参数（此处 B 等于 3950K） 。经过复杂的转换计算得出 T1 ，再减去 273.12，即可得到我们常用的摄氏度温度值。
在实际的电路设计中（参考图 2 测体温模块电路图），通过将热敏电阻接入特定的电路结构，利用电路中电压、电流与电阻的关系，测量出热敏电阻的阻值变化，进而根据上述公式计算出温度值。电路中的其他元件协同工作，保障测量的准确性和稳定性。例如，通过合理配置电阻的分压作用，将热敏电阻的阻值变化转化为电压变化，再经过 A/D 转换等步骤，将模拟信号转换为数字信号，便于单片机进行处理和显示。

（三）计步模块
计步模块采用了功能强大的 BMI270 陀螺仪。其工作原理涉及多个复杂而精妙的环节。首先是运动数据采集，BMI270 具有集成的三轴加速度计和三轴陀螺仪，能够精准测量空间中的线性加速度和角速度。当人行走时，加速度计敏锐捕捉由于步行引起的 X、Y、Z 三个方向的加速度变化，陀螺仪则测量步行时身体的旋转动作，这对于区分步行和其他类型的运动至关重要。
采集到的数据往往包含噪声，因此需要进行数据滤波。通过运用低通滤波器、带通滤波器等滤波算法，能够有效清除噪声，提取出有用的步行特征。接下来是特征提取环节，从滤波后的数据中提取步行的关键特征，比如在加速度数据中进行峰值检测，这些峰值通常与脚跟触地和脚尖离地的动作相对应；利用陀螺仪数据进行方向识别，以此区分步行和其他运动。
在步态分析阶段，开发专门的算法来深入分析步行动作。这包括通过分析加速度数据中的模式来识别步行动作，以及根据检测到的步态频率来计算步数。最后，基于上述一系列分析，开发出精准的计步算法。例如，设定一个时间窗口来检测步态周期，使用状态机来跟踪步行的不同阶段，如静止、步行等。在实际的电路设计中（见图 3 计步模块电路图），BMI270 陀螺仪与其他电路元件协同工作，将采集到的数据传输给单片机进行处理，最终实现准确的计步功能 。并且，还会根据实际测试结果对算法进行校准和优化，以不断提高计步的准确性和可靠性。

三、作品设计思路
（一）设计过程
在设计这款个人健康助手时，首要任务是深入进行需求分析。随着人们生活节奏的加快和健康意识的提升，对能够随时随地监测多种健康指标的便携式设备需求大增。基于此，确定了将心率、体温、计步这三个关键功能集成于一体的设计方向。
在微控制器的选择上，经过多方面的考量，最终选定了 STM32。STM32 系列微控制器以其强大的处理能力著称，能够高效地处理传感器传来的大量数据。丰富的外设资源也为连接各类传感器提供了便利，其具有多个通用输入输出引脚（GPIO），可灵活配置与不同传感器进行通信。同时，其稳定性和可靠性经过了市场的广泛验证，在各种复杂环境下都能保障系统的稳定运行，这对于实时监测健康数据的设备来说至关重要。
对于心率传感器，光电式检测方法因其非侵入性、便捷性成为首选。在众多光电式传感器中，选择了由 5mm 红外接收管和发射管构成的透射式光电对管。这种组合能够精准地检测到手指中血液流动对光的影响，从而输出稳定的脉搏信号。其原理基于血液中血红蛋白对红外光的吸收特性，当血液流动时，光的透过率发生变化，进而被接收管感知为电信号的变化。
体温传感器采用热敏电阻式，利用热敏电阻阻值随温度变化的特性来测量体温。这种传感器具有成本低、精度较高、响应速度快等优点。在众多热敏电阻中，选择了标称阻值为 50K 的热敏电阻，其在 25℃时阻值为 50K，固有参数 B 为 3950K，这些参数使得其在常见的体温测量范围内能够准确地反映温度变化。
计步传感器选用了 BMI270 陀螺仪，它集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，能够全方位地采集人体运动数据。通过对加速度和角速度的精确测量，结合复杂的算法，能够准确区分步行与其他运动，进而实现精准计步。例如，在行走过程中，其加速度计能捕捉到步伐的加速和减速过程，陀螺仪能感知身体的转动，两者数据融合后，为计步算法提供了丰富而准确的信息。
（二）创新点
1.集成化设计：将心率、体温、计步等多种健康监测功能集成于一体，是本作品的一大创新亮点。以往的健康监测设备往往功能单一，用户若要全面了解自身健康状况，需要携带多个设备，既不方便又增加成本。而这款设备将这些功能高度集成，用户只需携带这一台设备，就能随时随地获取多个关键健康指标。例如，在户外运动时，用户既能实时查看自己的心率，了解运动强度是否合适，又能知晓体温是否正常，还能准确统计运动步数，评估运动效果。这种集成化设计极大地提高了设备的实用性和便捷性，为用户提供了一站式的健康监测解决方案。
2.智能化分析：通过精心编写的软件算法，实现对健康数据的智能分析，是本作品的又一创新之处。设备不仅能够采集数据，还能对这些数据进行深入分析，并为用户提供有价值的健康建议。比如，根据一段时间内的心率数据，分析用户的心脏健康状况，若发现心率异常波动，及时提醒用户注意休息或就医。对于体温数据，能根据体温变化趋势，判断用户是否可能患有发热病症，并给出相应的应对建议。在计步方面，结合用户的运动步数和时间，为用户制定个性化的运动计划，如建议用户每天增加一定的步数，以达到更好的锻炼效果。这种智能化分析功能，使设备不仅仅是一个数据采集工具，更是用户的健康管理专家，真正实现了从数据到知识的转化，为用户的健康提供了更全面、更贴心的守护 。
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