3 硬件电路设计

3.1 STM32单片机介绍

单片机的最小系统应能让单片机正常工作并且能够正常的发挥其功能的一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。它是一个小型的电脑设备所具有的那样拥有者明显的大脑，也就是控制的核心。同时，也具有一些输出设备，还有就是定时器，能够作为时间的控制中心，具有作为通讯的接口，把所有需要用到的都集中在一个小小的芯片之上，这就是单片机。当然单片机现在的发展已经比较先进，我们来看一下作为最基本的存在它是怎样的。如下图：

单片机最小系统框

STM32单片机概述

单片机也就是我们经常说的单片小型计算机。经常用在控制领域中。是微型计算机的非常重要的一部分。在我们日常生活中经常用来进行控制。单片机主要是由内部单块集成电路构成。内部最为重要的就是包含了cpu处理芯片也就是中央处理器、IO口和存储器。我们只需要用相应的编译器烧写程序就可以实现对外围器件的控制。对单片机的选型设计是以STM32C8T6核心板。STM32单片机是一个低电压,高性能微处理和快速可擦除字节。它非常简单,方便,易于使用。在医疗机构和工业生产中广泛应用于实时控制、停车场、计算机外围设备和通信设备等各个领域。

想要实现系统功能，就必须完成单片机与电路或外部功能信息交流。这时就需要用到管脚将它们相连接达到通连的效果，同时我们也称管脚将单片机的外特性表现出来。科技的进步，单片机也更加注重体积和外观了，所以科学家想出了让很多引脚是双功能或多功能的。就现在的情况来说，STM32单片机的封装形式是多种多样，本设计就以40线双列直播式封装形式为例详细介绍，

STM32特点：

工作频率 (MHz) 48

16-bit 定时器 8

32-bit 定时器 1

A/D 转换器 1x12-bit

D/A 转换器 1x12-bit

　　通信接口 1xSPI/I2S;1xSPI; 2xI2C;2xUSART;CEC

I/Os 39

电压 (V) 2 to 3.6

STM32F103是STM32f101的增强型单片机，在32位的MCU中性能最强；具有出众的控制和通讯，非常适合低电压/低功耗的应用场合。下图为STM32内核

STM32单片机管脚图

STM32103基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；内置32K到128K的闪存，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0.5mA/MHz。STM32有4个p口;SPI-NSS片选，使能。
SPI-MISO数据输出；SPI-SCK时钟线；SPI-MOSI数据输入。

STM32单片机复位：复位电路的作用是为了是系统恢复到初始状态的，单片机的复位方式也是存在好几种的：上电复位，系统复位，备份区域复位。上电复位：其产生的条件是，当系统上电、掉电，以及系统从待机模式返回时，发生电源复位。电源复位能够复位除了备份区域寄存器之外的所有寄存器的状态。系统复位：以下任一事件发生时，均能产生一个系统复位：

1.NRST引脚上的低电平(外部复位)

2. 窗口看门狗计数终止(WWDG复位)

3. 独立看门狗计数终止(IWDG复位)

4. 软件复位(SW复位)

5. 低功耗管理复位

STM32单片机震荡电路：首先要明确的是STM32没有内部晶振，HSI是内部RC振荡器。HSI内部8MHz的RC振荡器的误差在1%左右，内部RC振荡器的精度通常比用HSE（外部晶振）要差上十倍以上。没所谓优缺点，最重要的是根据应用场合，对时钟要求不高时也是可以用HSI的，要注意的是当用HSI时，最高系统时钟的频率是达不到72MHz的。STM32的ISP就是用（HSI）内部RC振荡器。

STM32F103单片机是一款低功耗、高性能的微控制器，是STC公司早期生产用于工业控制的单片机。其作用是控制各种传感器和外设，自行计算处理得到的数据和信号，并进行相应的操作，在工业生产中起到大脑的作用。相比于日常生活中使用的电脑，单片机只能称得上微小电路集成系统，能起到的作用非常有限，只能处理一些简单的控制工作。单片机的应用非常广泛，绝大部分电器都是采用单片机进行控制，家里的大家电，比如冰箱、空调、洗衣机、电视机，小到遥控器、鼠标、键盘、闹钟。其里面都包含一个或者多个单片机。单片机广泛应用于仪表仪器，航空航天，家用电器和医用设备上。智能设备的发展也非常依赖单片机，多样化的传感器对单片机也提出了一定的要求，故此越来越多的高级的单片机成出现。

对于本次设计，我们选择的单片机是STM32F103C8T6单片机。此单片机和51系列相比多了很多功能，不但运行速度比51单片机要快很多，自带2个AD转换，方便我们在设计烟雾和CO的时候免去了需要加外部ADC进行转换，非常方便；

STM32有着很强大的通信功能和控制功能。这一点是51单片机无法比拟的。因为51单片机只有1个串口进行通信，而32单片机具有5个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市场上广泛的运用，32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地。

STM32特点：

STM32C8T6系列的起振晶部分采用了RTC，低负载的方式，而没有像传统的比较廉价的圆柱晶振。

引脚个数为48个。

工作频率为72MHZ。

单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器。

单片机具有2个2位/16通道的ADC模数转换。

使用了3.3V稳压芯片，可以保证最大输出300MA电流。

支持ST-LINK和JTAG调试下载。

存储资源为64kb byte FLASH和20byte Sram。

STM32实物图如下图所示：

STM32F103C8T6 实物图

1、电源指示灯LED(PWR通常为红色):如果电源指示灯亮亮说明单片机正常运行，如果较暗或者闪烁，表示此单片机可能存在故障。

2、用户LED(PC13):这个功能的使用大大的方便了我们进行一些比较简单的功能测试，如单片机的运行状态等，方便初学者进行更好的测试。

3、单片机上采用了跳帽的方式，我们可以对stm32进行3种编程方式。如用户的SARM、闪存和系统的存储器。

4、为单片机的复位电路。

5、8M晶振：主要是用于设置单片机系统的频率为72MHZ。

6、32.768KHz晶振：可供内置RTC使用，避免了需要专门的时钟芯片进行定时器处理等。

3.2 主要功能模块电路图

3.2.1 电源电路设计

单片机的电源采用直流5V供电，电源模块包括一个3脚的电源座子和6脚的电源开关。电源座子用于连接外部的电源插头，电源开关用于控制整个单片机的电路开和关。电源座子的2口引脚接地，3口引脚仅仅起到固定的作用，没有特殊的用处，1口引脚连接到电源开关的3口引脚，电源开关的1、3口引脚和4、6口引脚的作用相同，用于电源的正极输出。电源开关的2、5口引脚作为单片机的接地引脚，在使用时采取相对的选择，即选择1、3口引脚作为输出，那么就要选择5口引脚作为接地引脚，选择4、6引脚作为输出端口，2口引脚则作为接地引脚。本次单片机的传感器和无线传输芯片的电压都在5V内，所以5V的电压足够满足。若有12V或者其他电压的传感器，则可以采取升压模块将5V提升到更高的电压，进行供电。本次设计的电源电路如下图所示：

电源电路设计

3.2.2 ADXL345电路设计

ADXL345的内部功能结构如下图所示，X、Y、Z三个相互正交的的方向上的加速度由 G-Cell传感器感知，经过容压变换器、增益放大、滤波器和电压信号输出。然后我们就可以得到步数，我们设置步数距离后可以通过步数在计算里程

              ADXL345内部结构功能框图

所谓的G-Cell传感器是由半导体材料(多晶硅)经半导体工艺加工得到，其结构可简化为三块电容极板，如下图。两端的极板圈定，中间的极板在加速度的作用下，偏离无加速度的位置，这样它到两端极板的距离发生变化，造成电容值的变化．这个变化值经容压变换、增益放大，滤波等后体现在最后的电压输出值上，从而完成对加速度的测量。

            G-Cell传感器的物理模型

ADXL345的三个相互正交的测量方向如下图，固定在人体上后，这三个方向上的数据意义也就随之确定了。

            ADXL345的三测量轴向

引脚配置(顶视图)：

                    引脚功能图

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。

传感器连接模块

此模块电路主要功能就用于做ADXL345加速度传感器的一个转接口，而且利用ADXL345该加速度传感器产生相应的变化值。相当于整个系统的信号产生模块。

3.2.3 心率血氧传感器设计

MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的5.0V用于内部LED的电源，应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测，佩戴于手指、耳垂和手腕等处。标准的2C兼容的通信接口可以将采集到的数值传输给Arduino、KL25Z等单片机进行心率和血氧计算。此外，该芯片还可通过软件关断模块，待机电流接近为零，实现电源始终维持供电状态。正因为其优异的性能，该芯片被大量应用在了三星  Galaxy S7  手机。与前代产品  MAX30100  相比  (MAX30100  目前已经停产淘汰  )  ， MAX30102  集成了玻璃盖可以有效排除外界和内部光干扰，拥有最优可靠的性能。

接口说明     

VIN  ：  LED电源输入端，也是I2C总线上拉电平，建议接3.3V或者5V   

SCL  ：  接I2C总线的时钟     

SDA ：  接 I2C总线的数据     

INT ：  MAX30102芯片的中断引脚     

RD  ：MAX30102 芯片的 RED LED 接地端，一般不接     

IRD ：MAX30102 芯片的  

IR LED  接地端，一般不接     

GND  ：接地线

  传统的脉搏测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点。     光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血  氧饱和度测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定  在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧合血红蛋白（  HbO2  ）和血红蛋  白（  Hb  ）有选择性的特定波长的发光二极管（一般选用  660nm  附近的红光和  900nm  附近的  红外光）。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发  生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输  出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光  电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。同时根据血氧饱和度的定义，其表示为：                 

MAX30102  本身集成了完整的发光  LED  及驱动部分，光感应和  AD  转换部分，环境光干  扰消除及数字滤波部分，只将数字接口留给用户，极大地减轻了用户的设计负担。用户只 需要使用单片机通过硬件 I2C或者模拟I2C接口来读取  MAX30102  本身的FIFO  ，就可以得到转换后的光强度数值，通过编写相应算法就可以得到心率值和血氧饱和度。

光电容积法的主要的工作原理是根据人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量，可以通过测量手指、耳垂等地方直接进行检查，检测速度快，方便，精度高。查询文献知道560nm波长左右的波长可以反映皮肤浅部微动脉信息，适合用来提取脉搏信号。传感器采用了峰值波长为515nm的绿光LED，型号为AM2520，而光接收器采用了APDS-9008，这是一款环境光感受器，感受峰值波长为565nm，两者的峰值波长相近，灵敏度较高。此外，由于脉搏信号的频带一般在0.05~200Hz之间，信号幅度均很小，一般在毫伏级水平，容易受到各种信号干扰[10]。在传感器后面使用了低通滤波器和由运放MCP6001构成的放大器，将信号放大了330倍，同时采用分压电阻设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使放大后的信号可以很好地被单片机的AD采集到。

对于光电采集主要是通过研究芯片手册和示波器进行抓取，因为血液在流通的过程中是以波的形式从主动脉扩散到其他动脉中。根据郎伯-比尔（Lambert－beer）定律,物质在一定波长处的吸光度和它的浓度成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时,通过人体组织吸收、反射、衰减后测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。血液是高度不透明的液体，光在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍。一般情况下，当光子穿越介质时，因能量被吸收而导致的强度衰减可描述为式（3-1）：

                          I=I0e-a×ε                                    （3-1）                                       

式中是入射光强，是与组织结构相关的吸收系数（哺乳动物的值在0.1至100之间），是沿光轴方向的坐标长度。其工作线性如图3-7所示：

图3-7工作线性图

血氧饱和度(SaO2)是反应血液中氧合血红蛋白含量的—个参数，是氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，它是呼吸循环的重要生理参数。临床上通过监测动脉血氧饱和度(SaO2)对肺的氧合和血红蛋白携氧能力进行估计。血氧浓度的测量通常分为电化学法和光学法两类。电化学分析法需行人体采血，再用血气分析仪测出血氧分压P02从而计算出血氧饱和度，这是一种有创测量方法，且不能进行连续的监测。而光学测量法是采用光电传感器的无创方法，它是基于动脉血液对光的吸收量随动脉博动而变化的原理来测量的，故将这种测量结果叫做脉搏血氧饱和度。基础研究表明，氧合血红蛋白和去氧合血红蛋白对不同波长入射光有着不同的吸收率，而皮肤、肌肉、骨骼和静脉血等其他组织对光的吸收是恒定不变的。当用两种特定波长的光线照射组织时，运用Lambert-Bear定律并根据血氧饱和度的定义可推出动脉血氧饱和度的近似公式（3-2）为：

SaO2=a+bR                       （3-2）

式中：R为两种波长光线吸收率之比，a、b为常数，与仪器传感器结构、测量条件有关。实际应用中因为组织是一个各向异性、强散射、弱吸收的复杂光学介质， 无法单纯以一个简单公式直接获取血氧饱和度，一般是通过测量双光束吸收率之比R，然后通过经验吸收比/定标曲线最终获取氧饱和度。而在选择双光束波长时，一般选择入射光波长为660nm和940nm。也可以通过示波器来进行采集。如图 所示。

图示波器采集信号图

3.2.4 OLED显示屏电路设计

有机发光显示器(Organic Light Emitting Display,OLED)是一种新型发光和显示器件。OLED实质上是一个薄膜器件,即在阳极和阴极之间夹多层有机薄膜组成的稳定的绿色有机薄膜电致发光器件。当有电流通过时,这些有机材料就会发光。OLED使用普通的矩阵交叉屏,OLED位于交叉排列的阳极和阴极中间,通过对阳极和阴极组合的选通,可以控制每一个OLED的点亮。由于OLED属于电流型器件,显示器的亮度可用电流来控制。国际上实力比较强的有我国香港的Solomon公司和美国的Clare公司等。OLED可广泛应用于通信、计算机、消费电子、工业应用、商业、交通等领域。

液晶显示模块电路如图所示，P5是一个4孔的排针，专门供OLED液晶显示屏使用，5V是指接的5V电压；显示屏的SCL引脚连接的是单片机的B6引脚，通过SCL引脚传输串行时钟数据；SDA引脚连接的是单片机的B7引脚，通过SDA引脚传输串行数据。

 OLED是128列×64行点阵的OLED、字符、图形显示模块,接口电路简单,使用方便。该模块具有以下特点:

①128×64点阵的单色图形显示模块;

②高亮度,高对比度,宽视角,响应速度快,温度范围宽,低功耗;

③8位并行数据接口,读、写操作时序;可以直接与八位微处理器相连;

④模块内含128×64显示数据 RAM。RAM中每位数据对应 OLED屏上一个点的亮、暗状态;

⑤集成SOLOMEN SSD1306 OLED驱动器;

⑥模块功耗:90 mw(1/3素点点亮,不带偏振片,亮度100 cd/m²)

;⑦模块逻辑电源电压: VDD+3 V±10 %;

⑧OLED 显示屏驱动电压:VCC 3.3V～5 V。

如果我们想要显示当前需要的信息，只要按照OLED的时序进行读和写,即可完成OLED的显示。  所显示文字或图片的字符库,需要自己造,可以选用字模提取软件，再根据OLED显示数据的RAM地址结构,选纵向的取模方式,由于OLED模组的字节结构是高位在下低位在上,所以要设置成字节倒序,字符的字体、字形、大小和显示效果(下划线和删除线)可根据需要进行调整,取模生成单个字符的点阵显示代码,最后根据需要在OLED屏上的显示效果,对代码进行相应调整即可得到所需字符库。

        根据所要显示的文字生成所需字符库,通过OLED显示程序将字符代码写入并存储在SSD1306的GDDRAM模块后,就可以稳定地显示出来。 如汉字“汉”,该文字为宋体12,字体对应的点阵为:宽×高=16×16(32 B显示码)。提取字模为:

        Charcode Han[]=

        {

        0x00,0x10,0x61,0x06,0xC0,0x30,0x02,0x3E,0xC2, 0x02, 0x82, 0x62, 0x1F, 0x02, 0x00, 0x00, 0x00, 0x02, 0x02, 0x3F, 0x20, 0x20, 0x10, 0x08, 0x05, 0x02, 0x05, 0x08, 0x10, 0x30, 0x10, 0x00}

3.2.5 DS18B20温度设计

DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。它的主要技术特性如下：

①具有独特的单线接口方式，即微处理器与其接口时仅需占用 1 位I/O 端口；

②支持多节点，使分布式多点测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化；

③测温时无需任何外部元件：

④可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式：

⑤测温范围为-55~+125℃，测温精度为±0.5℃：

⑥温度转换精度 9-12 位可编程，能够直接将温度转换值以 16 位二进制数码的方式串行输出。12 位精度转换的最大时间为 750ms。

因为它是数字输出，而且只占用一个 I/O 端口，所以它特别适合于微处理器控制的各种温度测控系统，避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的 A/D 转换和较复杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。

1．DS18B20 的结构

DS18B20 主要由四部分组成。

①64 位光刻 ROM 数据存储器

②温度传感器

③非易失性电可擦写温度报警触发器 TH 和 TL

④非易失性电可擦写设置寄存器

如下图所示，器件只有 3 根外部引脚，其中 VDD和 GND 为电源引脚，另一根 DQ 线则用作 I/O 总线，因此称为一线式数据总线。与单片机接口的每个 I/O 口可挂接多个 DS18B20 器件。

每片 DS18B20 含有一个唯一的 64 位 ROM 编码。头八位是产品系列编码，表示产品的分类编号；接着的 48 位是一个惟一的产品序列号，序列号是一个 15 位的十进制编码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后 8 位是前 56 位的循环冗余(CRC)校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。所以多片 DS18B20 能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。这为温度的多点测量带来了极大的方便。

DS18B20 传感器的内部数据存储器由 9 个字节组成。第一、二个字节是温度数据(MSB、LSB)，可以在系统配置寄存器中自行设置数据位数(9~12 位)，数据位越多温度分辨率越高，多余的高位是温度数据的符号扩展位。第三、四字节是温度上下限报警值( TH、TL) 。第五字节是系统配置寄存器，寄存器各位定义如下：第八位用来设置传感器的工作状态，“1” 为测试状态，“0”为操作状态，出厂设置为操作功能状态，用户不能修改；第七、六两位是温度转换数据位的设置(00、01、10、11 分别对应9、10、11、12 位温度数据)，出厂设置为 12 位温度数据位，用户可根据需要进行修改，其余位无效。第六、七、八字节保留未用。第 9 个字节是CRC 校验码，是前面 8 个字节的循环校验码，用在通信中验数据传送的正确性。

DS18B20的结构框图

温度传感器的转换结果以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，其中第一个字节（Byte0）存放测温结果的低位（LS Byts），第二个字节（Byte1）存放测温结果的高位（MS Byts），S 为符号位，其它位为数据位，温度为负时 S=1；温度为正时 S=0。格式如下表所示：

表3-1低位存放数据

LSByts	Bit0	Bit1	Bit2	Bit3	Bit4	Bit5	Bit6	Bit7
	23	22	21	20	2-1	2-2	2-3	2-4

表3-2高位存放数据

如果测量的温度值高于温度报警触发器 TH 或低于 TL 中的值，则DS18B20 内部的报警标志位就被置位，表示温度测量值超出范围。DS18B20 的温度转换位数可以选择 9~12 位，分别对应的测温分辨率为0.5℃, 0.25℃，0.125℃，0.0625℃。不过温度转换位数越大，转换时间也越长。12 位精度的最大转换时间为 750ms。DS18B20 的测温范围为-55~+125℃，温度转换结果以16 位二进制方式单线输出, 转换的位数可通过写配置寄存器（字节 4）设定, 其格式如下表：

表3-3输出位数配置寄存器

R1、R0 的设定值与位数、分辩率和最大转换时间的关系如表 3-1 所示，可见位数每减少一位，分辩率同比减少而转换时间则加快一倍, 器件上电时默认分辩率为 12 位。

表3-4 配置寄存器设置

R1	R0	分辨率℃	最大转换时间ms	有效位数
0	0	0.5	93.75	9位（Bit11~Bit3）
0	1	0.25	187.50	10位（Bit11~Bit2）
1	0	0.125	375.00	11位（Bit11~Bit1）
1	1	0.0625	750.00	12位（Bit11~Bit0）

温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器(EEPROM )组成，设置值通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丢失。

2. DS18B20 的测温原理

DS18B20 的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度，如图 3-4 所示。DS18B20 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数，通过该计数值来测量温度。计数器被预置为与- 55℃对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度高于- 55℃，被预置在- 55℃的温度寄存器的值就增加一个增量，同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所决定的值进行预置，时钟再次使计数器计数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。这个值以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。温度值由主机通过发读存储器命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。

3. DS18B20 的封装和供电方式

DS18B20 是 DS1820 的升级产品，一般封装为 TO-92，比 DS1820 的PR-35 封装更小。DS18B20 只有三根外引线：单线数据传输端口 DQ、共用地线 GND、外供电源线 VDD。

DS18B20 有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时 VDD 接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个 MOSFET 管和单片机的一个 I/O 口来完成对 DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD 接+5V)，完成温度测量的时间较短。当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。但当所测温度超过 100℃时，DS18B20 的漏电流增大，传感器从 I/O 线上获取的电流不足以维持DS18B20 通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。

3.2.6 DS1302时钟芯片

DS1302是一款专门处理时钟的芯片，晶振为32.768,

1、由美国DALLAS公司推出。

2、它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路。

3、DS1302使用方便，接线简单，适合此电子时钟的设计制作。

4、DS1302可以对年月日时分秒等进行计时，并且带有闰年补偿功能。

5、它可以一次传送多个字节的时钟信号。并且内部有存放数据的RAM寄存器

6、DS1302的 工作电压宽达2.5～5.5V。同时还提供了对后备电源的引脚。

1引脚：VCC2为主电源引脚。

8引脚：VCC1备用电源引脚。

备注：DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。由于本设计未引用备用电源，只引用了1引脚，主电源引脚。

2和3引脚：X1、X2外接晶振引脚。（外接32.768kHz晶振）

4引脚：GND为接地引脚。

5引脚：CE/RST为复位/片选线。通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

1.RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；

2.RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

6引脚：I/O为数据输入输出口。在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。

7引脚：SCLK为串行时钟，输入。

DS1302有关日历、时间的寄存器

DS1302内部寄存器如下：

寄存器名称     命令字    取值范围              各位内容

           写    读             7    6   5   4    3   2   1   0

秒寄存器      80h   81h   00--59    CH      10秒            秒

分寄存器      82h   83h   00—59             10分           分

小时寄存器    84h   85h   01—12   12/24  0   A   时         时

                     或00—23

日期寄存器    86h   87h  01-28、29

                       30、31   0    0   10日           日

月份寄存器    88h   89h  01--12     0    0    0   10月      月

周寄存器      8Ah   8Bh  00--07     0    0    0   0    0       周

年份寄存器    8Ch   8Dh  00--99             10年             年

寄存器的说明如下：

1、秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当初始上电时该位置为1，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；只有将秒寄存器的该位置改写为0时，时钟才能开

2、小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。

DS1302控制字符的介绍

7	6	5	4	3	2	1	0
1	RAM	A4	A3	A2	A2	A0	RD
	CK						WR

表3.12 DS1302控制表

位7：控制字的最高有效位必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。

位6：如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；

位5--位1：指示操作单元的地址；

位0：最低有效位，如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。

读数据：控制字后SCLK下降沿，读出DS1302的数据；读出的数据是从最低位到最高位。

写数据：控制字后SCLK上升沿，，数据被写入DS1302，数据输入也是从最低位开始。

3.2.7 按键设置电路

本设计一共设置有5个控制命令按键：参数设置；设置加；设置减；清除当前步数里程。我们采用的是独立式的按键，独立式按键就是每单个的按键就会有一条单独的I/O线，他们之间互不影响，按键一端接地，采用的是低电平有效，按下按键就会连接该条线路。键盘抖动的消除采用的是软件消除，因为硬件需要外接器件成本高也比较麻烦，软件消除的原理是线建立一个子程序，在检测到按键闭合时先执行子程序延时功能，按键断开时也执行数毫秒的功能从而达到消除抖动的目的。

当我们按下按键后会输出低电平给单片机，松开后输出高电平这样我们就知道按键是否被按下，通过程序写入按键扫描函数就执行我们需要实现的功能。按键电路图设计

3.2.8 蜂鸣器报警电路

按键我们可以用于设置心率体温上限，血氧下限，当参数不在范围内蜂鸣器进行声光报警提醒。    

蜂鸣器是一种蜂鸣元器件，供电时就进行蜂鸣，操作非常简单。市场上有很多蜂鸣器,我们选择提供5V电源的蜂鸣器被认为是实用的。当我们使用蜂鸣器时,我们有一个小技巧。如果我们觉得蜂鸣器不够响,我们可以把蜂鸣器顶部的纸去掉。在本次设计中，当检测到温度或者烟雾浓度高于报警上限时，蜂鸣器报警。蜂鸣器电路如图3.6所示，由3部分组成，一部分是一个1k的电阻，第二部分是一个PNP三极管，最后一部分就是蜂鸣器。三极管采用NPN三极管，其主要功能是放大电流和电平特性，因为单片机电路的电路非常小，无法提供蜂鸣器所需的电流，经过三极管放大驱动电流后，电流放大200倍，驱动蜂鸣器报警。

3.2.9 GPS定位设计

GPS接收模块通过它的接收天线获取卫星信号，经过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后，即可计算出天线位置。用户通过输入输出接口，与GPS接收模块进行信息交换，实现功能。GPS接收模块内部结构如图所示。

该设计中GPS信号接收模块所选用的是VK2828U7接收模块，该模块是由美国瑟孚科技有限公司所生产。主要使用到的引脚如下图所示。该模块具有12通道并行接收能力，所接收的GPS信号属于民用频段的L1信号（1575.42MHz），在没有SA干扰的情况下平均定位误差为10米，动态速度误差为0.1米/秒，信号灵敏度达到－142dBm，冷启动定位时间为42秒，热启动时间为38秒，重新定位时间仅仅需要8秒。

GPS数据输出格式为标准的NMEA－0183标准，采集地理信息的更新速率为每两秒一次，地图坐标系为WGS－84坐标系。该模块天线采用的是体积小、可靠性高、灵敏度高的微带天线，该天线封装在模块内部，更进一步的提高了整个模块的可靠性。

该芯片的主要特征如下表所示。

GPS主要特征

GPS 输出数据格式

GPS 上电后，每隔一定的时间就会返回一定格式的数据，数据格式为：

$信息类型，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x

每行开头的字符都是‘$’ ， 接着是信息类型，后面是数据，以逗号分隔开。一行

完整的数据如下：

$GPRMC,080655.00,A,4546.40891,N,12639.65641,E,1.045,328.42,170809,,,A*60

信息类型为：

GPGSV：可见卫星信息

GPGLL：地理定位信息

GPRMC：推荐最小定位信息

GPVTG：地面速度信息

GPGGA：GPS 定位信息

GPGSA：当前卫星信息

GPRMC 数据详解：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

<1> UTC 时间，hhmmss(时分秒)格式

<2> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位

<3> 纬度 ddmm.mmmm(度分)格式(前面的 0 也将被传输)

<4> 纬度半球 N(北半球)或 S(南半球)

<5> 经度 dddmm.mmmm(度分)格式(前面的 0 也将被传输)

<6> 经度半球 E(东经)或 W(西经)

<7> 地面速率(000.0~999.9 节，前面的 0 也将被传输)

<8> 地面航向(000.0~359.9 度，以真北为参考基准，前面的 0 也将被传输)

<9> UTC 日期，ddmmyy(日月年)格式

<10> 磁偏角(000.0~180.0 度，前面的 0 也将被传输)

<11> 磁偏角方向，E(东)或 W(西)

解析内容：

1.定位状态，在接收到有效数据前，这个位是‘V’ ，后面的数据都为空，接到有效

数据后，这个位是‘A’ ，后面才开始有数据。

2.纬度，我们需要把它转换成度分秒的格式，计算方法：

如接收到的纬度是：4546.40891

4546.40891 / 100 = 45.4640891 可以直接读出 45 度

4546.40891–45 * 100 = 46.40891 可以直接读出 46 分

46.40891–46 = 0.40891 * 60 = 24.5346 读出 24 秒

所以纬度是：45 度 46 分 24 秒。

3.南北纬，这个位有两种值‘N’ （北纬）和‘S’ （南纬）

4.经度的计算方法和纬度的计算方法一样

5.东西经，这个位有两种值‘E’ （东经）和‘W’ （西经）

3.2.10 GSM短信设计

一旦检测到超过我们设置的温度心率体温异常时或者是跌倒，STM32单片机就会通过SIM800短信模块发送到设定的手机号上，本设计采用的通信模块为SIM800，此模块具有体积小，价格便宜，发送短信时间快等特点。被广泛的运用在通信设置中。电路中接二极管是为了防止发送短时后会产生一个较大的反向电流，击穿芯片。电解电容为1000UF为发送短信提供足够的条件。通信方式采用的是串口通信。

GSM模块用芯讯通（SIMCom）公司生产的SIM800，是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构，性能强大，支持AT指令。利用STM32的串口来控制GSM MODEM，单片机与GSM模块一般采用串行异步通信接口， 通信速度可设定，通常为19200bps。GSM MODEM与单片机之间采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分别为发送、接收端，与单片机的PA10、PA9连接，组成串口通信。GSM模块通过把PWRKEY信号拉低一段时间然后释放来开机。当模块开机后就可以发送AT命令来控制模块，用户可以通过“AT+IPR=x”设置波特率并把参数保存。一旦配置为固定波特率，当模块开机时将会从串口收到字符“RDY”。这些字符在自动波特率激活的情况下无法显示。同样，可以通过把PWRKEY 信号拉低一段时间然后释放来关机。或者使用AT命令“AT+CPOWD=1”关闭模块。该命令使模块从网络上注销，让软件进入安全状态，保存有用数据，让然后完全断开供电。在关机前，模块串口将自动发送下列字符串“NORMAL POWER DOWN”，这之后将不能执行AT命令。模块进入掉电模式，仅仅RTC处于激活状态。掉电模式可以通过STATUS引脚来检测，其电路原理图如下图所示：

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