一种人体健康检测仪设计

张胜男　沈蕊　徐艳　李俊佳　丁旭东　马盼盼　李大鹏

摘要：本人体健康检测仪由单片机作为主控电路、包括红外测温电路、心率血氧检测电路、OLED显示电路、报警电路、电源电路、WiFi模块。通电后，通过红外传感器MLX90614和MAX30102根据被测对象的红外辐射能量检测人体当前的体温值、心率值和血氧浓度值，并在OLED屏上显示测得的体温值、心率值和血氧浓度值。当测量值中的任意一值超过了设定的上下限范围时会触发报警。打开WiFi模块后，App端可接收到检测值并显示。本系统简单易行、控制方便。

关键词：单片机;红外测温;心率;血氧;WiFi

中图分类号：G642.0        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）03-0095-02

1 引言

体温、心率以及血氧是人体基本的生命体征，测量数值直接反映出人体的健康状态，传统的检测仪只有个别功能，如体温计、血氧仪，只能单独测量一个量，不能系统反映出用户是否康健。这些传统的测量方法具有使用不便，功能单一、携带不便的特点。红外技术和传感器的不断发展让具有红外测温等功能的检测仪开始面向大众。

特殊时期，大家需要随时测量体温，本项目检测设备中非接触式红外测温功能可以降低感染风险，同时，心率血氧也是重要的两个健康参数，能让大家全面地了解自己当前的身体状况。

2 主要技术和功能

本人体健康检测仪系统实现如下功能：

1）可以检测当前体温、心率和血氧浓度;体温测量为非接触。

2）在显示屏上显示当前测得的体温、心率和血氧浓度。

3）测量值超过设定值范围（体温：35～38℃，心率：60～100次/分，血氧：<90%）则报警提醒。

4）对于老人、孩子等特殊人群，该检测仪通过WiFi模块把测量的体温值、心率值和血氧浓度实时传送到手机App，方面监护人员查看。

5）WiFi模块和手机App，自动接收测量的体温值、心率值和血氧浓度。

本设计由STM32F103C8T6单片机控制电路、红外测温电路、心率血氧检测电路、OLED显示电路、报警电路、电源电路、WiFi模块组成。具体如图1所示。

通电后，通过红外传感器MLX90614和MAX30102根据被测对象的红外辐射能量检测人体当前的体温值、心率值和血氧浓度值，并在OLED屏上显示测得的体温值、心率值和血氧浓度值。当测量值中的任意一值超过了设定的上下限范围时会触发报警。打开WiFi模块后，手机App可接收到检测值并显示。软件使用C语言进行程序的设计编写，主要程序包含温度检测、心率血氧检测、显示、WiFi通信等。

3 主要模块电路设计

3.1红外测温电路模块设计

在本系统中，红外测温模块MLX90614的SCL和SDA与单片机的I/O口（PA10、PA11）相连，MLX90614的SCL接口和SDA接口是漏极开路结构，需要加上拉电阻。热电元件在理想状态下的输出电压是（A为元件的灵敏度常数）：

红外传感器可以将检测到物体的红外辐射能量转变为数字信号。STM32可以通过PWM或可编程SMBus控制MLX90614模块所测得的数据在微处理器中解析数据，然后在OLED屏上显示。如果系统打开WiFi模块，单片机将通过WiFi模块将温度数据传输到手机App上进行显示。电路如图2所示。

3.2心率血氧模块电路设计

心率血氧测量模块MAX30102根据PPG测量脉搏信号，利用传感器感测到经血管反射的衰减光，采集数据并通过算法进行心率血氧的计算，使用方法简便且易于佩戴。MAX30102的引脚SCL（接I?C总线的时钟）和SDA（接I?C总线的数据）与单片机25脚（PB12）和26脚（PB13）相连。光电转换器接收到反射的光线后，进行电信号的转变并将电信号经过处理放大后输出，微处理器STM32通过对心率血氧模块的控制和配置寄存器，使得传感器接收到被测物体的测量数据。电路如图3所示。

3.3报警电路模块设计

选择蜂鸣器作为报警电路的元件，与STM32微控制器的14脚（PA4）相连。当测量的数据值超过最大设定值或者低于最小设定值时，蜂鸣器报警提醒。报警电路如图4。

3.4 WiFi通信模块设计

借助WiFi通信传输技术，人们可以通过手机自动接收检测到的体温、心率和血氧数据，系统采用ESP8266芯片，采用手机WiFi进行无线匹配，在WiFi信号范围内均可接收到测量数据。在手机上自行下載安装App，通过WiFi信号搜索到“FAST-DA7A”，输入密码，连接成功后，App上会自动接收测量数据并显示。ESP8266的引脚RESET、RXD、TXD分别与单片机2脚（PC13）、12脚（PA2）、13脚（PA3）相连。ESP8266连接单片机的电路如图5所示。

3.5 OLED显示模块设计

本系统采用OLED作为显示屏幕。 OLED不需要背光板，当载流子注入和复合时有机材料出现发光现象，电流大则发出的光越强，电流小则发出的光越弱。OLED采用IIC电路连接，D0、D1分别与单片机的42脚（PB6）、43脚（PB7）脚相连。显示电路如图6所示。

4 结束语

正常来说心率、血氧和体温这些健康指数最能有效地反映人体的健康状态，警示突发情况。我们为了让人们便于检测自身健康指数，提出了便捷的健康检测仪系统。本系统以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，集红外测温、心率血氧测量以及上下限报警功能于一体，在启用WiFi模块后，系统可以将测量数据传送到手机App上进行显示。

我们研究了目前一些测温、测量心率值和血氧浓度值的设备和技术后，选择了红外传感器MLX90614来测量体温，利用光电容积法来测量心率血氧，采用MAX30102作为心率血氧测量的主要传感器模块，进行生理数据采集。用Altium Designer和Keil5分别完成了健康检测仪的硬件电路设计和软件设计。我们实现了健康检测仪并进行了测试。结果表明健康检测仪设计可以正确有效的检测人体的体温、心率值和血氧浓度值，通过WiFi模块可以成功在手机App上显示测量数据。本设计实现了自主实时检测人体基本健康指数（体温、心率、血氧），并通过WiFi传输数据到手机App上的功能。健康检测仪检测到的人体体征数据具有一定的参考性。

由于没有更多的时间进行研究，本健康检测仪的设计仍存在一些需要进一步修缮的地方，例如可以选择合适的外壳材料设计制作出美观简洁的包装;在保证系统大小的情况下，将测量到的人体体征数据进行联网，建立个人档案并进行指数分析;系统还可以增加血压和血糖的测量，进一步完善系统的功能等。只有进一步的学习才可以设计出功能性更高、便捷性更好的系统，才能给有需要的人提供一份帮助。

参考文献：

[1] 考其祎，赵娟.基于单片机的红外体温测量仪的设计[J].南方农机，2018（23）：181-190.

[2] 符丙虹，赵丽芬，蒋祖军.基于单片机的非接触式体温计设计[J].福建电脑，2017（7）：22-23.

[3] 张菁.基于单片机的红外体温计设计[J].数字技术与应用，2017（3）：171-172.

[4] 乌音噶.家庭医疗监测系统[D].呼和浩特：内蒙古大学，2018.

[5] 张自达.基于STM32的多功能智能健康手表设计[D].银川：宁夏大学，2018.

[6] 朱检兵.基于STM32便携式心电监护系统的设计[D].南昌：南昌大学，2019.

[7] 王佳乐.基于可穿戴设备的血氧饱和度检测及算法的研究[D].上海：上海师范大学，2017.

[8] 祁维国.基于stm32单片机的最简血氧仪设计[J].电子世界，2014（14）：161.

[9] 吕峻达，王景泰.基于单片机的人体心率监测系统的设计与实现[J].电子元器件与信息技术，2018，2（8）：26-28.

[10] 尚国庆，周岳斌，李强.一种便携式心率体温监测装置[J].科技创新导报，2016，13（10）：27-28.

【通联编辑：朱宝贵】