【安阳学院本科毕业】基于单片机的智能骑行头盔

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学生的技术与实现

摘 要

当前头盔多仅具备基础防护功能，无法满足骑行场景下对佩戴规范、人员健康及安全监控的多元需求，佩戴不规范、体温异常等隐患难以被及时发现，突发危险时也无法快速传递位置信息，现有头盔的功能性短板已难以适配复杂场景的安全保障需求。

设计一款基于单片机的智能骑行头盔，可弥补传统头盔功能单一的缺陷，实现佩戴检测、体温监控、定位追踪及报警等多重功能，提升场景安全管理的便捷性与有效性，减少因佩戴不规范、体温异常及突发危险未及时处置引发的安全事故，为人员安全提供全方位、智能化的保障支撑。

以STM32F103C8T6作为主控芯片，搭配OLED屏幕实现数据本地显示，通过TCRT5000红外传感器检测头盔佩戴情况，未佩戴时触发异常报警；借助GY-906非接触式人体测温模块实时监控体温，体温异常时启动报警；通过GPS模块获取实时位置信息，按下一键报警按钮可向监控中心发送报警信息及当前经纬度；依托ESP826601S WIFI模块将所有数据实时传输至MQTT云平台，异常报警通过红色LED和有源蜂鸣器实现。

关键词：智能化；STM32F103C8T6；C语言

1. 绪论
   1. 绪论开发背景

随着城市交通出行方式的多元化，骑行作为绿色、便捷的出行手段被广泛普及，但骑行过程中的安全隐患与人员健康管理问题也日益突出。传统骑行头盔仅具备基础的物理防护功能，无法实现佩戴状态监测、人体健康预警、位置追踪与紧急报警等智能化功能，在户外作业、通勤骑行、工程巡检等场景中，一旦出现未规范佩戴头盔、人员体温异常、意外摔倒或突发危险等情况，无法及时发出预警并上报位置信息，极易造成安全事故延误处置，给骑行人员的生命安全带来极大威胁[1]。同时，在智慧安防、智慧工地、户外作业管理等领域，对人员装备的智能化、远程化、可视化监控需求持续提升，传统设备已无法满足现代化安全管理的要求。

1. 1. 国内外研究现状分析
      1. 国外研究现状

国外智能安全头盔研究起步较早，技术发展较为成熟，聚焦工业巡检、特种作业等专业场景，已形成较为完善的技术体系与产品生态[1]。相关研究多依托高精度传感技术与物联网技术，实现佩戴检测、环境监测、定位追踪等多功能集成，部分产品融入视觉同步定位与地图构建技术，可辅助工作人员完成复杂环境巡检任务。

1. 1. 1. 国内研究现状

国内智能安全头盔行业在政策扶持与技术迭代驱动下快速发展，正从导入期向成长期加速过渡，市场规模持续扩容，研究重点聚焦于功能集成与成本控制的平衡。目前相关研究多以单片机为核心主控单元，集成佩戴检测、体温监测、GPS定位、一键报警等实用功能，依托国产元器件实现技术落地，适配工业施工、骑行等多元场景，且在数据传输方面逐步实现与云平台的联动，提升安全管理效率。但相较于国外先进水平，国内研究仍存在明显短板，核心传感器进口依赖度较高，部分产品存在功能同质化严重、设备兼容性不足等问题，且在低功耗优化、复杂环境适应性等方面的研究不够深入，部分中小企业的技术方案缺乏创新性，难以满足高端场景的精细化安全管理需求。

1. 总体设计

在整个基于单片机的智能骑行头盔设计中，系统的总体设计是一个非常关键的环节，所以根据MCU的控制需求来进行整个方案的设计，同时也是一个能够达到预期目的的过程。

1. 1. 开发环境

在基于单片机的智能骑行头盔设计中，单片机作为核心控制单元，负责采集加速度、心率等传感器数据，判断骑行姿态、碰撞等危险工况，触发声光报警与语音提示，对接蓝牙、GPS模块实现定位与应急求助，驱动外设运行，统筹各模块协调工作，保障头盔安全监测、应急响应等人机交互功能稳定实现。

1. 1. 硬件选型
      1. 单片机选型

STM32F103C8T6是意法半导体公司推出的ARM Cortex-M3内核的32位微控制器[2]。工作频率可达72MHz，Flash达到64KB,SRAM为20KB，工作温度范围-40°C~85°C。集成有37个GPIO、USART、SPI、I2C、ADC、定时器和CAN/USB接口等，广泛应用于工业自动化、智能家居、电机控制等领域。LQFP48封装，低功耗模式支持，可以使用STM32CubeIDE或者keil等方式进行开发，以高性价比以及丰富的外设资源而成为嵌入式领域中的经典之一[3]。

1. 1. 1. OLED显示屏选型

OLED显示屏是一种利用有机发光二极管的自发光显示元器件[4]，没有背光层，采用有机材料通电后直接发光，具有超高对比度、超广视角和极速响应速度等特性，结构轻薄，厚度可低至1毫米以下，可以弯曲，被广泛应用于穿戴设备、手机副屏以及曲面电视等。OLED色彩艳丽，黑色纯正，功耗比传统的LCD小，并且在低温情况下依然能够正常工作，但是由于长时间静态显示可能会出现烧屏的风险，使用寿命稍微短一些，不过它凭借着出色的显示效果与设计自由度已经成为高端消费电子产品的首选显示器[6]。

1. 1. 1. ESP8266 WiFi模块选型

ESP8266是一款专为物联网应用设计的低成本WiFi芯片，它内置了TensilicaL106 32位RISC处理器，主频最高可达160MHz，支持802.11b/g/n协议，理论速率最大达到150Mbps。模块内含一个ADC（10bit，以及各种通信接口：UART/GPIO/SPI/I2C等[7]。有STA/AP/STA+AP三种工作模式，并且具有完整的TCP/IP协议栈，在实现低功耗的同时还具备深度睡眠电流仅为20uA的工作电流约80mA适应范围宽-40℃~125°C成本上，ESP8266极具性价比优势基础模组仅售10元以内远低于其他方案，在适配性方面模块使用3.3V供电且可以通过UART与STM32 Arduino等诸多主流单片机实现无缝对接，并开放了SDK脚本和Lua语言编程支持给开发者以供选择是否二次开发其超小型封装，高度集成化的设计使硬件电路更简易适用于智能家居、工业控制、环境监控等场景。

1. 硬件设计
   1. 单片机最小系统

单片机最小系统是单片机运行的最简电路组合，包括电源、时钟、复位和单片机芯片等组成，它是嵌入式开发的基础[13]。电源电路给单片机提供稳定的电压，一般采用LDO线性稳压器或者DC-DC转换器把外部输入转成3.3V或5V给单片机供电，保证稳定无纹波。时钟电路是单片机的心脏，晶振与内部振荡器结合产生精确时钟频率驱动CPU及其他外设按一定节奏工作，并非所有单片机都能从外界引入高精度时钟源；而复位电路在上电或是程序跑飞情况下通过电容充电延迟生成低电平脉冲使单片机能回到初始状态实现可靠启动功能。

1. 1. OLED显示屏

OLED显示屏依靠有机材料电致发光原理工作，基本结构包括基层、阳极、有机层以及阴极[16]。施加电压时，电子从阴极注入而空穴则由阳极注入，在有机层内二者相遇复合并释放能量以光的形式发出，该光的颜色取决于有机材料的能带隙大小，并且可以通过红绿蓝三种颜色组合成全彩显示效果。

1. 第4章系统软件设计
   1. 按键功能

按键工作流程分为四步：按下检测，消抖处理，状态确认，动作执行。按键被按下的时候，机械触点闭合引发电平改变，系统会察觉到下降沿或者上升沿的信号，因为机械抖动会导致多次电平跳变，所以要用软件延时或者硬件RC滤波来消除抖动，一般而言是5-20毫秒左右，经过消抖之后再检查按键是否稳定地闭合，然后读取键值并执行对应的行动，也就是控制开关或者是发出指令之类的操作，当流程结束的时候就松开按键，静候下一次的操作。

4.2OLED显示屏

系统启动后首先接收上层发送来的显示数据，控制器将该数据进行解析并转换成显示屏可以识别的显示格式。接着验证其有效性，若数据有效则将其处理过的信号送入到驱动电路中去，在此由驱动芯片来控制像素点发光以实现图像显示，并且根据动态显示的要求来进行刷新操作。当完成一次显示之后再判断是否还需要继续显示内容，如果需要的话就继续等待新的输入数据到来；

1. 系统测试

本章主要对基于单片机的目标系统进行全面的测试，测试系统是否满足设计需求，测试工作按照先单元测试、后集成测试、再系统测试的原则，从硬件功能、软件模块、系统整体性能等方面逐步进行测试，设计合理的测试用例，记录测试数据，分析测试结果，发现并解决问题，使系统能够稳定、可靠地运行。

1. 1. 测试目的与原则
      1. 测试目的

在这次系统测试的测试重点方向上，笔者制定了以下方向：系统各个硬件的电气特性，各个硬件设备（传感器、执行器、单片机最小系统等）是否能正常工作，软件程序的软件逻辑是否有问题，检查软件的主程序、中断服务程序、功能子函数等每个小块是否都正常；系统模块之间是否能正常协同工作，软件、硬件、各个功能模块之间能否正常协同工作。系统在各种环境下工作，安全稳定性是否有问题，是否有隐患。系统各项性能，响应速度、精度、功耗等等是否能满足设计要求，为下一步的修改和优化提供数据支持。

1. 1. 1. 测试原则

为确保测试工作的科学性、准确性和全面性，本次测试严格遵循以下原则：

客观性原则

全面性原则

规范性原则

循序渐进原则

5.2测试环境搭建

测试环境是进行测试工作的基础，本次测试环境主要包括测试硬件平台、测试软件工具和测试辅助仪器三部分，搭建如下

5.2.1硬件测试平台

硬件测试平台以STM32F103C8T6为目标系统，主要包括单片机最小系统（电源模块、时钟模块、复位模块）、传感器模块，根据系统设计确定、执行器模块、通信模块以及交互接口。为了方便测试，将目标系统做成PCB板，板上预留测试点，使用仪器方便测量信号波形和电压值。

5.2.2软件测试工具

软件测试工具主要用来对程序的下载、调试、数据采集，如Keil MDK-ARM集成开发环境，用于程序的编译、链接、下载；J-Link（或ST-Link）仿真器，用于在线调试程序，查看程序运行状态、寄存器值、变量变化，定位程序逻辑错误；接收目标系统发送的数据，向目标系统发送控制指令，与目标系统进行交互。

参考文献

1. 陈文山. 基于STM32的智能可穿戴嵌入式系统设计与实现[J].智能物联技术,2025,57(05):154-158
2. 张思宵,梅蕾,梅蕊,等. 基于STM32的室内环境监测系统的研究与应用[J].电动工具,2025,(05):31-34.
3. 杨会军,程啟华,朱聪营. 基于STM32的非侵入式电力负荷监测与识别技术研究[J].物联网技术,2025,15(20):11-14+20.
4. 张维,强华. 基于STM32的智慧农业大棚温湿度监控系统的设计[J].工业仪表与自动化装置,2025,(06):36-41.
5. 尚进,尹章轩,连傲星,等. 基于STM32单片机的智慧农业机器人设计[J].仪表技术,2025,(05):36-39.
6. 谈敬宇,李长旺,杜紫卉,等. 基于STM32智慧门锁设计[J].物联网技术,2025,15(19):136-139.

注：仅展示部分文档内容和系统截图，需要完整的视频、代码、文章和安装调试环境请私信up主。