基于SPCE061A的人體生理參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

　　心率測量模塊如圖3所示。首先將人體的脈搏通過壓電陶瓷片HTD27A-1轉(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào)，經(jīng)高阻輸入級(jí)隔離和電壓放大級(jí)放大后將信號(hào)送入帶通濾波器以濾除噪聲及高次諧波，經(jīng)集成運(yùn)放放大及施密特觸發(fā)器整形后再進(jìn)入單片機(jī)外部中斷EXT2進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可得出心率。

　　壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，一定的壓力作用會(huì)使壓電材料石英晶體的兩個(gè)極板間產(chǎn)生一定的電壓。沿石英晶體電軸方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸垂直的表面上將產(chǎn)生電荷：

　　式中，d11=2.31×10-12C/N，為石英晶體電軸方向受力壓電系數(shù)。

　　壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器：

　　式中，A為極板面積（m2），h為壓電體厚度（m），ε為壓電材料介電常數(shù)（F/m）。

　　采用石英晶體為壓電材料，其相對介電常數(shù)為εr，而標(biāo)準(zhǔn)介電常數(shù)為ε0，則石英晶體的介電常數(shù)為ε=εrε0。設(shè)壓電體兩極板間（沿電軸方向）承受一個(gè)大氣壓的壓力，則與電軸垂直的表面產(chǎn)生電荷qx=d11Fx=2.31×10-12×9.8×A，兩極板間產(chǎn)生電壓Ux=qx/C。壓電陶瓷片產(chǎn)生的電壓很小，因此在電壓信號(hào)送至后級(jí)電路處理前必須經(jīng)高阻輸入級(jí)以盡量減少電荷泄放，確保獲取電壓信號(hào)的準(zhǔn)確性。由于運(yùn)算放大器通常具有極高的輸入阻抗，采用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)高阻輸入級(jí)，如圖4所示。

　　據(jù)后級(jí)電路處理要求，要放大采集的電壓信號(hào)。為濾除電壓信號(hào)中的噪聲信號(hào)，便于后級(jí)數(shù)字電路處理獲得的信號(hào)，后端電路采用20~200Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號(hào)，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后再送入單片機(jī)計(jì)數(shù)，即可得到心率。

　　3.3 跑步步數(shù)測量模塊

　　跑步步數(shù)測量電路如圖5所示，圖中EXT1為外部時(shí)鐘源輸入。跑步或走路時(shí)，手臂擺動(dòng)，水銀開關(guān)隨之通斷，通過單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再乘以步長，即可得到行走距離和速度。

　　數(shù)學(xué)模型得到預(yù)測公式，即可預(yù)測能量消耗量。系統(tǒng)根據(jù)性別、體重、身高、年齡等生理指標(biāo)，采用Harris-Benedict預(yù)測公式計(jì)算能量損耗：

　　BEE（男）=（66.4730+13.7516W+5.0033H-6.7550A）×4.1840

　　BEE（女）=（655.0955+9.5634W+1.8496H-4.6756A）×4.1840

　　式中，BEE為基礎(chǔ)能量消耗；W為體重（kg）；H為身高（cm）；A為年齡（歲）。

　　3.4 鍵盤顯示單元

　　顯示單元選用128×64字符點(diǎn)陣液晶模塊SPLC501組件，由LCD顯示器、LCD控制板和偏壓產(chǎn)生電路組成。分4行顯示當(dāng)前體溫值、心率、速度、行程等信息，如圖6所示。

　　鍵盤模塊主要用于設(shè)定初始值（包括體重、步長等）、報(bào)警值（心率、體溫等）。KEY1鍵為確定/取消功能，KEY2鍵為上調(diào)功能，KEY3鍵為下調(diào)功能。光標(biāo)閃爍為設(shè)定狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定好后停止按鍵，5s后系統(tǒng)自動(dòng)重新開始測量，液晶顯示關(guān)閉以節(jié)省電能，為防止誤按鍵，鍵盤鎖定，按任意鍵，液晶顯示打開，按KEY1鍵一下，再按KEY3鍵兩下，再按KEY1鍵一下，鍵盤解鎖，按KEY1鍵超過2s，進(jìn)入初始值、報(bào)警值的設(shè)定。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序及鍵盤處理、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、語音和液晶顯示5個(gè)子程序組成。圖7為系統(tǒng)主程序流程。系統(tǒng)上電后首先初始化，然后進(jìn)行各參數(shù)的測定、顯示判斷超量報(bào)警等操作，同時(shí)檢測按鍵情況，若有按鍵按下，執(zhí)行顯示和語音播報(bào)等功能。此系統(tǒng)編譯環(huán)境為unSPIDE2.6.2D，使用匯編語言與C語言混合編寫，其中中斷服務(wù)程序及液晶顯示等相關(guān)底層程序由匯編語言編寫，測量及語音播報(bào)等程序由C語言完成。鍵盤處理子程序通過定時(shí)器中斷方式調(diào)用。參數(shù)輸入采用菜單方式設(shè)定，包括步伐長度（計(jì)算行走速度及行程），體重、性別、身高、年齡（能量消耗計(jì)算），體溫上下限，心率上下限，行程提醒等。當(dāng)測得溫度、心率超過上下限時(shí)報(bào)警；當(dāng)測得行程達(dá)到行程提醒設(shè)定值時(shí)提醒。

　　5 結(jié)語

　　該測量儀可根據(jù)要求改變設(shè)定值，適于各年齡段人群的生理參數(shù)測量。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于集人體各種參數(shù)測量與安全報(bào)警功能為一體，液晶顯示和語音播報(bào)相結(jié)合，非常人性化。