許惠清 王傲霜 陳麗秋 歐賢彪 文卉

摘要 基于STM32F103RCT6的控制，設(shè)計(jì)一款能夠完全脫離手機(jī)的多功能掛式耳機(jī)，采用紅外反射式光電脈搏傳感器隨時(shí)隨地測心率、MLX90614系列紅外測溫模塊測體溫，集聽音樂、體征參數(shù)監(jiān)測功能于一體，適應(yīng)性廣，有效性高。

【關(guān)鍵詞】STM32F103RCT6 MLX90614 多功能耳機(jī)

隨著生活水平的提高，越來越多的人開始關(guān)注身體健康，一些智能的可穿戴設(shè)備也隨之發(fā)展起來，智能檢測設(shè)備越來越普及。HereActive Listening、Bragi Dash和三星Gear IconX等產(chǎn)品，都讓我們看到了在擺脫線纜無線化之后耳機(jī)的另一種革命，但這些智能設(shè)備都存在一定的不足之處，或者功能較為單一，或者續(xù)航能力不足等。本文所設(shè)計(jì)的多功能耳機(jī)以STM32F103RCT6為核心，借助于光電反射式傳感器在耳朵附近實(shí)時(shí)檢測心率，MLX90614系列紅外測溫模塊實(shí)測體溫，耳機(jī)內(nèi)置集成MP3模塊，無線遙控功能模式切換和歌曲播放，當(dāng)體征參數(shù)（心率、體溫）出現(xiàn)異常時(shí)實(shí)現(xiàn)超標(biāo)報(bào)警功能。

1 概述

本項(xiàng)目以STM32F103RCT6為核心板，構(gòu)建一個(gè)多功能耳機(jī)。此款耳機(jī)除了具有普通耳機(jī)聽音樂的功能之外，還具有實(shí)時(shí)監(jiān)測心率、體溫、超標(biāo)報(bào)警功能。同時(shí)能夠擺脫線纜，使用方便。整體設(shè)計(jì)包括STM32F103RCT6核心板、光電容積法測心率模塊、測體溫的MLX90614模塊、MP3音樂播放模塊、語音提醒模塊、無線遙控模塊、電源及充電模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

該多功能耳機(jī)具有便捷化、人性化、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決普通耳機(jī)續(xù)航能力不足、功能單一的問題，具有廣闊的市場前景。

2 基于STM32F103RCT6的控制

該款耳機(jī)基于STM32核心板開發(fā)，由無線遙控模塊選擇功能模式，根據(jù)紅外反射式光電傳感器檢測心率，MLX90614系列紅外測溫模塊檢測體溫，同時(shí)與程序內(nèi)預(yù)設(shè)的心率和體溫范圍值進(jìn)行比較，若超出預(yù)設(shè)范圍，則通過I/O口控制語音模塊，實(shí)行報(bào)警提示。

3 紅外反射式光電傳感器測心率

在檢測心率時(shí)本文采用光電容積法，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行脈搏測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在人的手指或耳垂上。光源一般采用對動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（ 500nm—700nm）的發(fā)光二極管。當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。

因?yàn)楣怆娙莘e法測心率是借助于光電容積描述技術(shù)（PPG）來實(shí)現(xiàn)的。它并不是直接通過測脈搏的有無來表示心率，而是通過測量人體生理變化引起的內(nèi)部組織成分變化程度，來提取心率和呼吸等生理特征，所以它能夠克服傳統(tǒng)脈搏測量儀要求十分好的接觸性的缺點(diǎn)，同時(shí)減少了其對于脈搏波動(dòng)較弱的人群使用限制。其操作簡便、測量精確度高、抗干擾能力強(qiáng)，適用范圍廣。

4 MLX90614系列紅外測溫模塊測體溫

一般來說，測溫方式可分為接觸式和非接觸式，接觸式測溫反應(yīng)時(shí)間較長，且極易受環(huán)境溫度的影響;而紅外測溫具有溫度分辨率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。MLX90614系列模塊是一組通用的紅外測溫模塊。具有非接觸、體積小、精度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。物體紅外輻射能量的大小和波長的分布與其表面溫度關(guān)系密切。因此，通過對物體自身紅外輻射的測量，能準(zhǔn)確地確定其表面溫度，MLX90614紅外測溫就是利用這一原理測量溫度的。

多功能耳機(jī)除了可以通過無線遙控切換鍵切換心率與體溫的測量，而且當(dāng)所測數(shù)據(jù)值超出正常范圍時(shí)，會通過報(bào)警提示模塊發(fā)出報(bào)警提示;在心率模式下，將心率傳感器夾戴在耳垂處，以稍微有壓迫感為宜，這時(shí)很快就可以看到紅色發(fā)光二極管會伴隨你的脈搏心率而閃爍，讓你直觀的看到自己脈搏心率跳動(dòng)的速度，同時(shí)語音播報(bào)心率測量值大小;體溫模式下，體溫傳感器與太陽穴接觸，同時(shí)語音播報(bào)體溫測量值大小。

本文研制的多功能耳機(jī)不僅適合在休息時(shí)間或者運(yùn)動(dòng)時(shí)給我們提供放松音樂環(huán)境，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測身體（心率、體溫）體征參數(shù)，就像是健康的監(jiān)督官，時(shí)刻提醒你關(guān)注自己的身體健康狀態(tài)。未來，可穿戴式多功能耳機(jī)還有很長的路要走！

參考文獻(xiàn)

[1]張洋，劉軍，嚴(yán)漢字，原子教你玩STM32：庫函數(shù)版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[2]梁學(xué)聰，基于STM32的血氧信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].合肥：安徽大學(xué)，2016.

[3]龔中良，李曜，基于光電傳感器的脈搏信號采集電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電子器件，2014， 37 （04）： 658-661.

[4]孟海斌，張紅雨.嵌入式系統(tǒng)電源芯片選型與應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010 （12）：7 -10.