多功能實(shí)時(shí)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

1 引言

隨著人們健康意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，戶外運(yùn)動(dòng)越來(lái)越受到重視。然而運(yùn)動(dòng)量過(guò)強(qiáng)或不足都不能達(dá)到鍛煉的目的，甚至?xí)：ι眢w。這里介紹一種多功能實(shí)時(shí)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)方法，該監(jiān)測(cè)儀具有廉價(jià)、實(shí)用、便攜，并有語(yǔ)音播報(bào)測(cè)量值及越限報(bào)警等多種功能。

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該監(jiān)測(cè)儀以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A為控制核心，通過(guò)溫度傳感器、水銀開關(guān)、壓電陶瓷片獲得人體溫度、跑步者的步數(shù)及脈搏跳動(dòng)情況，再由CPU實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)量值并將結(jié)果送至液晶顯示器顯示，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。系統(tǒng)設(shè)有鍵盤、人工復(fù)位和自動(dòng)上電復(fù)位及硬件看門狗電路。SPCE061A內(nèi)部帶有硬件乘法器功能，可方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算和語(yǔ)音播報(bào)功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 體溫測(cè)量模塊

溫度傳感器采用DALLAS的DS18B20，該器件無(wú)需外部元件，通過(guò)數(shù)據(jù)線供電即可提供最高12位的溫度讀數(shù)，器件的溫度信息經(jīng)單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，從CPU到DS18B20僅需連接1條線。讀、寫和完成溫度變換所需的電源由數(shù)據(jù)線本身提供，測(cè)量范圍為－55℃~+125℃，增量值為0.

0625（以12位數(shù)值方式讀出溫度），在1s（典型值）內(nèi)把溫度變換為數(shù)字，具有用戶可定義的非易失性溫度告警設(shè)置。輸出的溫度數(shù)值由單片機(jī)的IOA15口讀入，如圖2所示。

經(jīng)單線接口訪問(wèn)DS18B20的協(xié)議如下：

（1）初始化單線總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括：總線主機(jī)發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖，接著從屬器件送出存在脈沖，程序清單見初始化DS18B20子程序intInit_1820（void）。

（2）ROM操作命令一旦總線主機(jī)檢測(cè)到從屬器件便可發(fā)出，ROM操作命令，ROM操作命令均為8位長(zhǎng)，程序見讀DS18B20子程序unsignedintRead_1820_Byte（void）和寫DS18B20子程序voidWrite_1820_Byte（unsignedintData）。

（3）存儲(chǔ)器操作命令程序清單見讀DS18B20子程序unsignedintRead_1820_Byte（void）和寫DS18B20子程序voidWrite_1820_Byte（unsignedintData）。

（4）處理數(shù)據(jù)程序清單見溫度轉(zhuǎn)換子程序voidRead_Temp（unsignedint*Data）。溫度測(cè)量程序如下：

3.2 心率測(cè)量模塊

心率測(cè)量模塊如圖3所示。首先將人體的脈搏通過(guò)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(duì)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(cè)量模塊

跑步步數(shù)測(cè)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(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再乘以步長(zhǎng)，即可得到行走距離和速度。

數(shù)學(xué)模型得到預(yù)測(cè)公式，即可預(yù)測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)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(guò)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(yǔ)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(cè)定、顯示判斷超量報(bào)警等操作，同時(shí)檢測(cè)按鍵情況，若有按鍵按下，執(zhí)行顯示和語(yǔ)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(yǔ)言與C語(yǔ)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(yǔ)言編寫，測(cè)量及語(yǔ)音播報(bào)等程序由C語(yǔ)言完成。鍵盤處理子程序通過(guò)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(zhǎng)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(cè)得溫度、心率超過(guò)上下限時(shí)報(bào)警；當(dāng)測(cè)得行程達(dá)到行程提醒設(shè)定值時(shí)提醒。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)際測(cè)量表明，此設(shè)計(jì)方案具有低成本、低功耗、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該測(cè)量?jī)x可根據(jù)要求改變?cè)O(shè)定值，適于各年齡段人群的生理參數(shù)測(cè)量。隨著人們對(duì)健康的關(guān)注，這種多功能便攜式測(cè)試儀將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于集人體各種參數(shù)測(cè)量與安全報(bào)警功能為一體，液晶顯示和語(yǔ)音播報(bào)相結(jié)合，非常人性化。