人體生理參數監測儀設計方案

1 引言

隨著(zhù)人們健康意識的逐漸增強，戶(hù)外運動(dòng)越來(lái)越受到重視。然而運動(dòng)量過(guò)強或不足都不能達到鍛煉的目的，甚至會(huì )危害身體。這里介紹一種多功能實(shí)時(shí)生理參數監測儀的設計方法，該監測儀具有廉價(jià)、實(shí)用、便攜，并有語(yǔ)音播報測量值及越限報警等多種功能。

2 總體結構與工作原理

該監測儀以凌陽(yáng)16位單片機SPCE061A為控制核心，通過(guò)溫度傳感器、水銀開(kāi)關(guān)、壓電陶瓷片獲 得人體溫度、跑步者的步數及脈搏跳動(dòng)情況，再由CPU實(shí)時(shí)計算測量值并將結果送至液晶顯示器顯示，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報。系統設有鍵盤(pán)、人工復位和自動(dòng)上電復 位及硬件看門(mén)狗電路。SPCE061A內部帶有硬件乘法器功能，可方便地實(shí)現測量數據的記錄、計算和語(yǔ)音播報功能。系統總體結構框圖如圖1所示。

3 硬件電路設計

3.1 體溫測量模塊

溫度傳感器采用DALLAS的DS18B20，該器件無(wú)需外部元件，通過(guò)數據線(xiàn)供電即可提供最高 12位的溫度讀數，器件的溫度信息經(jīng)單線(xiàn)接口送入DS18B20或從DS18B20送出，從CPU到DS18B20僅需連接1條線(xiàn)。讀、寫(xiě)和完成溫度變換 所需的電源由數據線(xiàn)本身提供，測量范圍為－55℃~+125℃，增量值為0.0625（以12位數值方式讀出溫度），在1s（典型值）內把溫度變換為數字，具有用戶(hù)可定義的非易失性溫度告警設置。輸出的溫度數值由單片機的IOA15口讀入，如圖2所示。

經(jīng)單線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn)DS18B20的協(xié)議如下：

　?。?）初始化單線(xiàn)總線(xiàn)上的所有處理均從初始化序列開(kāi)始。初始化序列包括：總線(xiàn)主機發(fā)出一個(gè)復位脈沖，接著(zhù)從屬器件送出存在脈沖，程序清單見(jiàn)初始化DS18B20子程序intInit_1820（void）。

　?。?）ROM操作命令一旦總線(xiàn)主機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(cháng)，程序見(jiàn)讀DS18B20子程序unsignedintRead_1820_Byte（void）和寫(xiě)DS18B20子程序 voidWrite_1820_Byte（unsignedintData）。

　?。?）存儲器操作命令程序清單見(jiàn)讀DS18B20子程序unsignedintRead_1820_Byte（void）和寫(xiě)DS18B20子程序voidWrite_1820_Byte（unsignedintData）。

　?。?）處理數據程序清單見(jiàn)溫度轉換子程序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(guò)壓電陶

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

壓電傳感器相當于一個(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（F/m）。

采用石英晶體為壓電材料，其相對介電常數為εr，而標準介電常數為ε0，則石英晶體的介電常數為 ε=εrε0。設壓電體兩極板間（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確性。由于運算放大器通常具有極高的輸入阻抗，采用運放實(shí)現高阻輸入級，如圖4所示。

據后級電路處理要求，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計數，即可得到心率。

3.3 跑步步數測量模塊

跑步步數測量電路如圖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(kāi)關(guān)隨之通斷，通過(guò)單片機進(jìn)行計數，再乘以步長(cháng)，即可得到行走距離和速度。

數學(xué)模型得到預測公式，即可預測能量消耗量。系統根據性別、體重、身高、年齡等生理指標，采用Harris-Benedict預測公式計算能量損耗：

　　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為基礎能量消耗；W為體重（kg）；H為身高（cm）；A為年齡（歲）。

3.4 鍵盤(pán)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行顯示當前體溫值、心率、速度、行程等信息，如圖6所示。

鍵盤(pán)模塊主要用于設定初始值（包括體重、步長(cháng)等）、報警值（心率、體溫等）。KEY1鍵為確定/取 消功能，KEY2鍵為上調功能，KEY3鍵為下調功能。光標閃爍為設定狀態(tài)，當設定好后停止按鍵，5s后系統自動(dòng)重新開(kāi)始測量，液晶顯示關(guān)閉以節省電能， 為防止誤按鍵，鍵盤(pán)鎖定，按任意鍵，液晶顯示打開(kāi)，按KEY1鍵一下，再按KEY3鍵兩下，再按KEY1鍵一下，鍵盤(pán)解鎖，按KEY1鍵超過(guò)2s，進(jìn)入初 始值、報警值的設定。

4 軟件設計

軟件采用模塊化設計方法，由主程序及鍵盤(pán)處理、數據采集、報警、語(yǔ)音和液晶顯示5個(gè)子程序組成。圖 7為系統主程序流程。系統上電后首先初始化，然后進(jìn)行各參數的測定、顯示判斷超量報警等操作，同時(shí)檢測按鍵情況，若有按鍵按下，執行顯示和語(yǔ)音播報等功 能。此系統編譯環(huán)境為unSPIDE2.6.2D，使用匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言混合編寫(xiě)，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(xiě)，測量及語(yǔ)音 播報等程序由C語(yǔ)言完成。鍵盤(pán)處理子程序通過(guò)定時(shí)器中斷方式調用。參數輸入采用菜單方式設定，包括步伐長(cháng)度（計算行走速度及行程），體重、性別、身高、年 齡（能量消耗計算），體溫上下限，心率上下限，行程提醒等。當測得溫度、心率超過(guò)上下限時(shí)報警；當測得行程達到行程提醒設定值時(shí)提醒。

5 結語(yǔ)

經(jīng)實(shí)際測量表明，此設計方案具有低成本、低功耗、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該測量?jì)x可根據要求改變設定值， 適于各年齡段人群的生理參數測量。隨著(zhù)人們對健康的關(guān)注，這種多功能便攜式測試儀將會(huì )有更廣闊的應用前景。本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于集人體各種參數測量與安全報警 功能為一體，液晶顯示和語(yǔ)音播報相結合，非常人性化。

瓷片HTD27A-1轉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)集成運放放大及施密特觸發(fā)器整形后再進(jìn)入單片機外部中斷EXT2進(jìn)行計數，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，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：