运动员用多参数无线监护系统的硬件开发与设计(附件)
随着体育竞技领域的快速发展，各种体育运动训练和比赛，频繁的出现在运动场所。为了更好的了解到运动员在训练或者比赛过程中的身体以及生理参数状况，我们希望通过检测运动员的各项生理参数来达到高效的训练目的以及减少大运动量所带来的职业伤病。针对传统的运行检测设备所存在的功能单一、自动化程度较低的现状，本论文将提出一种运动员用多参数无线监护系统，用来对运动员在训练以及运动中的生理参数检测，利用STM32单片机为主控制器，控制系统协助外部运行。利用传感器来检测运动员的体温、心率以及血氧浓度，并通过无线传输将传感器检测到的生理参数传送到上位机的监护终端，以便随时观察运动员的生理参数状况。关键词 STM32单片机，上位机, 传感器，无线传输
目 录
1 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究状况及发展趋势 1
2 系统方案设计 2
2.1设计任务要求 2
2.2方案选型设计 3
2.3系统总方案设计 4
3系统硬件设计 6
3.1 STM32最小系统电路介绍 6
3.2温度采集模块设计 11
3.3心率、血氧模块设计 12
3.4无线通信模块设计 14
3.5显示模块设计 16
3.6 PC和单片机通信模块设计 17
3.7系统总电路图 17
4系统调试 19
结 论 22
致 谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1研究背景及意义
随着体育比赛领域的快速发展，以及人们工作和生活压力的不断加重，在很多运动场所里，人们喜欢组织一些体育活动训练和比赛来缓解压力和强身健体，从而来提高人们的竞争和团队意识。可是，那些运动健儿们往往会在活动训练和比赛过程中，因运动量过猛，而导致身体的超负荷运行或者疲劳过度。这样以来，不仅会影响了比赛的成绩，而且还会影响身心的健康。因此，运动健儿们的身体健康状况，引起了人们的高度重视。人体的生理参数，刚好可以很好的反应运动员的基本健康状况。在平时的运动训练过程中，可以通过采集分析人体生理参数的变化，来确定适当的运动量，以此来 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
将运动员的状态调整到最佳状态，确保运动员能充分发挥自身的实力，获得最优秀的运动成绩。
不管是教练员，还是运动健儿们，因为运动量过大或者不足，随时都会导致不能达到锻炼的目的，甚至会危害到身体的健康。因此，他们都需要通过检测运动员的各项生理参数和标准的生理生化指标来进行对比，从而高效指导运动员们的活动训练、比赛以及减少职业伤病。传统的运功生理参数监测仪，如医用监测仪等仪器，由于其过于笨重、不专业、不便携带、以及自动化程度低等弊端，而无法满足运动健儿们的需求[1]。为了满足市场的需求，本设计将完成一个运动员用多参数无线监护的系统。该设计不仅可以不受时间的限制，而且可以随时随地的对运动员在运动训练的过程中以及比赛的过程中进行生理参数的监测，实时掌握运动员身体的体温、心率以及血氧浓度的测量值，方便人们随时观察到运动员的生理参数状况。由此，基于运动员用多参数无线监护系统的设计便应运而生。
1.2国内外研究状况及发展趋势
随着传感器技术的不断发展，以及PDA即个人数字助理的不断发展[2]，在国内的市场上，慢慢的有了很多种关于可穿戴式的人体生理参数监测系统科研成果。在这些科研成果中，比较典型的就是卫士、保健衫和无创血压测量仪以及生理信号监测仪[3]。其中卫士是由香港生物医学工程联和推出，可以实现可穿戴式的测量人体生理参数，而保健衫则是在卫士的发展基础上研究出来的，可以实现生命体征信号的监测，其特别在于对于血压的测量，则是采取液体静力学原理来测量的[4]。
生理信号监测仪诞生于台湾，它集合了蓝牙和WiFi两种无线传输技术以及传感器技术为一体，可以检测出运动员的心率、心电图、血氧浓度等参数的测量并无线传输，具有很强的可移动性和灵活性。而且，国外对于运动员人体生理参数的监测设备大多数也是关于可穿戴式的设备。
由于相关研究人员的极力钻研，国外市场上也出现了很多先进的科研成果。在这其中，比较典型的有IST FP5设备、智慧衫以及LifeMinder系统[5]。其中LifeMinder系统，是由个人数字助理和可穿戴式的手表传感器两部分组成。这里的可穿戴式的手边传感器对加速度计、皮肤的电极反应、温度传感器以及与之通信的使用蓝牙模块进行集成，实现了对用户身体健康以及运动训练的实时监测。
2 系统方案设计
2.1设计任务要求
此次设计，是通过各种硬件的组成模拟电路和C语言进行软件编程，完成一个基于单片机为控制核心的，运动员用多参数无线监护系统的设计。该设计能够对单元结构建立等效电路模型，并能结合各个模块，建立一个具备智能自动传感器检测功能与无线通信功能的生理参数检测系统[6]，最后实现一款便携带、低功耗以及多功能的运动员用多参数无线监护系统。该系统的设计，是以单片机作为核心研究部分。而该核心部分，具有性能稳定性高、较强的抗干扰功能、维护性较好、执行能力强以及执行简单敏捷等好处。以至于，其能够自动的完成对运动员参数心率、血氧以及温度的测量。经过处理器对信息的处理，能够通过无线传输模块进行通信与传输。另外，其数据将通过液晶屏来实时显示数据。具体的任务如下：
1.完成单片机微处理主控制电路的设计，使本设计具备信息处理的功能；
2.完成心率、血氧检测电路设计，能对运动员的心率、血氧浓度进行测量；
3.完成温度检测电路设计，能对运动员的体温进行检测；
4.完成电源电路设计，能随时为单片机系统供电；
5.完成显示模块的设计，使其具有测量参数的显示功能；
6.完成无线通信电路的设计，实现上下位机无线数据的传输功能；
7.完成整体电路的设计；
8.编写C语言程序代码，完成系统软件的编写；
9.焊接电路模块，完成实物的制作。
2.2方案选型设计
2.2.1主控制器方案设计
方案一：使用PIC16系列中的PIC16C54C型号单片机，这是一种通过外围设备进行控制的集成电路模块。该单片机内部含有33条指令，双性模式的指令形态，8位用以编程的定时器，12根用以控制双向独立的引脚。但是，对这种型号单片机的程序进行编写，只能运行一次，属于一次性烧录的单片机。
方案二：使用主控器为STM32系列的单片机，该系列的单片机是由ST公司研发的一种新型的半导体微型控制器。另外，该系列的单片机具有32位的微控制器，具备数字信号处理、性能高、功能消耗低、操作便捷、成本低廉等优点。而且，内部自带阻容震荡器、复位电路和时钟模块，应用范围广。
因此，本设计选择性价比更高的STM32系列的单片机作为本设计的主控制器。
目 录
1 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究状况及发展趋势 1
2 系统方案设计 2
2.1设计任务要求 2
2.2方案选型设计 3
2.3系统总方案设计 4
3系统硬件设计 6
3.1 STM32最小系统电路介绍 6
3.2温度采集模块设计 11
3.3心率、血氧模块设计 12
3.4无线通信模块设计 14
3.5显示模块设计 16
3.6 PC和单片机通信模块设计 17
3.7系统总电路图 17
4系统调试 19
结 论 22
致 谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1研究背景及意义
随着体育比赛领域的快速发展，以及人们工作和生活压力的不断加重，在很多运动场所里，人们喜欢组织一些体育活动训练和比赛来缓解压力和强身健体，从而来提高人们的竞争和团队意识。可是，那些运动健儿们往往会在活动训练和比赛过程中，因运动量过猛，而导致身体的超负荷运行或者疲劳过度。这样以来，不仅会影响了比赛的成绩，而且还会影响身心的健康。因此，运动健儿们的身体健康状况，引起了人们的高度重视。人体的生理参数，刚好可以很好的反应运动员的基本健康状况。在平时的运动训练过程中，可以通过采集分析人体生理参数的变化，来确定适当的运动量，以此来 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
将运动员的状态调整到最佳状态，确保运动员能充分发挥自身的实力，获得最优秀的运动成绩。
不管是教练员，还是运动健儿们，因为运动量过大或者不足，随时都会导致不能达到锻炼的目的，甚至会危害到身体的健康。因此，他们都需要通过检测运动员的各项生理参数和标准的生理生化指标来进行对比，从而高效指导运动员们的活动训练、比赛以及减少职业伤病。传统的运功生理参数监测仪，如医用监测仪等仪器，由于其过于笨重、不专业、不便携带、以及自动化程度低等弊端，而无法满足运动健儿们的需求[1]。为了满足市场的需求，本设计将完成一个运动员用多参数无线监护的系统。该设计不仅可以不受时间的限制，而且可以随时随地的对运动员在运动训练的过程中以及比赛的过程中进行生理参数的监测，实时掌握运动员身体的体温、心率以及血氧浓度的测量值，方便人们随时观察到运动员的生理参数状况。由此，基于运动员用多参数无线监护系统的设计便应运而生。
1.2国内外研究状况及发展趋势
随着传感器技术的不断发展，以及PDA即个人数字助理的不断发展[2]，在国内的市场上，慢慢的有了很多种关于可穿戴式的人体生理参数监测系统科研成果。在这些科研成果中，比较典型的就是卫士、保健衫和无创血压测量仪以及生理信号监测仪[3]。其中卫士是由香港生物医学工程联和推出，可以实现可穿戴式的测量人体生理参数，而保健衫则是在卫士的发展基础上研究出来的，可以实现生命体征信号的监测，其特别在于对于血压的测量，则是采取液体静力学原理来测量的[4]。
生理信号监测仪诞生于台湾，它集合了蓝牙和WiFi两种无线传输技术以及传感器技术为一体，可以检测出运动员的心率、心电图、血氧浓度等参数的测量并无线传输，具有很强的可移动性和灵活性。而且，国外对于运动员人体生理参数的监测设备大多数也是关于可穿戴式的设备。
由于相关研究人员的极力钻研，国外市场上也出现了很多先进的科研成果。在这其中，比较典型的有IST FP5设备、智慧衫以及LifeMinder系统[5]。其中LifeMinder系统，是由个人数字助理和可穿戴式的手表传感器两部分组成。这里的可穿戴式的手边传感器对加速度计、皮肤的电极反应、温度传感器以及与之通信的使用蓝牙模块进行集成，实现了对用户身体健康以及运动训练的实时监测。
2 系统方案设计
2.1设计任务要求
此次设计，是通过各种硬件的组成模拟电路和C语言进行软件编程，完成一个基于单片机为控制核心的，运动员用多参数无线监护系统的设计。该设计能够对单元结构建立等效电路模型，并能结合各个模块，建立一个具备智能自动传感器检测功能与无线通信功能的生理参数检测系统[6]，最后实现一款便携带、低功耗以及多功能的运动员用多参数无线监护系统。该系统的设计，是以单片机作为核心研究部分。而该核心部分，具有性能稳定性高、较强的抗干扰功能、维护性较好、执行能力强以及执行简单敏捷等好处。以至于，其能够自动的完成对运动员参数心率、血氧以及温度的测量。经过处理器对信息的处理，能够通过无线传输模块进行通信与传输。另外，其数据将通过液晶屏来实时显示数据。具体的任务如下：
1.完成单片机微处理主控制电路的设计，使本设计具备信息处理的功能；
2.完成心率、血氧检测电路设计，能对运动员的心率、血氧浓度进行测量；
3.完成温度检测电路设计，能对运动员的体温进行检测；
4.完成电源电路设计，能随时为单片机系统供电；
5.完成显示模块的设计，使其具有测量参数的显示功能；
6.完成无线通信电路的设计，实现上下位机无线数据的传输功能；
7.完成整体电路的设计；
8.编写C语言程序代码，完成系统软件的编写；
9.焊接电路模块，完成实物的制作。
2.2方案选型设计
2.2.1主控制器方案设计
方案一：使用PIC16系列中的PIC16C54C型号单片机，这是一种通过外围设备进行控制的集成电路模块。该单片机内部含有33条指令，双性模式的指令形态，8位用以编程的定时器，12根用以控制双向独立的引脚。但是，对这种型号单片机的程序进行编写，只能运行一次，属于一次性烧录的单片机。
方案二：使用主控器为STM32系列的单片机，该系列的单片机是由ST公司研发的一种新型的半导体微型控制器。另外，该系列的单片机具有32位的微控制器，具备数字信号处理、性能高、功能消耗低、操作便捷、成本低廉等优点。而且，内部自带阻容震荡器、复位电路和时钟模块，应用范围广。
因此，本设计选择性价比更高的STM32系列的单片机作为本设计的主控制器。
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