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

1 引言

隨著人們健康意識的逐漸增強(qiáng)，戶外運(yùn)動(dòng)越來越受到重視。然而運(yùn)動(dòng)量過強(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)測儀的設(shè)計(jì)方法，該監(jiān)測儀具有廉價(jià)、實(shí)用、便攜，并有語音播報(bào)測量值及越限報(bào)警等多種功能。

2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該監(jiān)測儀以凌陽16位單片機(jī)SPCE061A為控制核心，通過溫度傳感器、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)算測量值并將結(jié)果送至液晶顯示器顯示，同時(shí)進(jìn)行語音播報(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)測量數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算和語音播報(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 體溫測量模塊

溫度傳感器采用DALLAS的DS18B20，該器件無需外部元件，通過數(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，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）。溫度測量程序如下：

3.2 心率測量模塊

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，經(jīng)高阻輸入級隔離和電壓放大級放大后將信號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，因此在電壓信號送至后級電路處理前必須經(jīng)高阻輸入級以盡量減少電荷泄放，確保獲取電壓信號的準(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，如圖4所示。

據(jù)后級電路處理要求，要放大采集的電壓信號。為濾除電壓信號中的噪聲信號，便于后級數(shù)字電路處理獲得的信號，后端電路采用20~200Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號，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

經(jīng)實(shí)際測量表明，此設(shè)計(jì)方案具有低成本、低功耗、操作簡單等特點(diǎn)。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。隨著人們對健康的關(guān)注，這種多功能便攜式測試儀將會(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。