1 引言

隨著人們健康意識的逐漸增強，戶外運動越來越受到重視。然而運動量過強或不足都不能達到鍛煉的目的，甚至會危害身體。這里介紹一種多功能實時生理參數監測儀的設計方法，該監測儀具有廉價、實用、便攜，并有語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16位單片機SPCE061A為控制核心，通過溫度傳感器、水銀開關、壓電陶瓷片獲得人體溫度、跑步者的步數及脈搏跳動情況，再由CPU實時計算測量值并將結果送至液晶顯示器顯示，同時進行語音播報。系統設有鍵盤、人工復位和自動上電復位及硬件看門狗電路。SPCE061A內部帶有硬件乘法器功能，可方便地實現測量數據的記錄、計算和語音播報功能。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，該器件無需外部元件，通過數據線供電即可提供最高12位的溫度讀數，器件的溫度信息經單線接口送入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據線本身提供，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。



經單線接口訪問DS18B20的協議如下：

（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：總線主機發出一個復位脈沖，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檢測到從屬器件便可發出，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）處理數據程序清單見溫度轉換子程序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壓電陶瓷片HTD27A-1轉換為可處理的電信號，經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，經集成運放放大及施密特觸發器整形后再進入單片機外部中斷EXT2進行計數，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，一定的壓力作用會使壓電材料石英晶體的兩個極板間產生一定的電壓。沿石英晶體電軸方向施加作用力Fx時，在與電軸垂直的表面上將產生電荷：



式中，d11=2.31×10-12C/N，為石英晶體電軸方向受力壓電系數。

壓電傳感器相當于一個以壓電材料為介質的電容器：



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）承受一個大氣壓的壓力，則與電軸垂直的表面產生電荷qx=d11Fx=2.31×10-12×9.8×A，兩極板間產生電壓Ux=qx/C。壓電陶瓷片產生的電壓很小，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的帶通濾波器進一步處理信號，經施密特觸發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為外部時鐘源輸入。跑步或走路時，手臂擺動，水銀開關隨之通斷，通過單片機進行計數，再乘以步長，即可得到行走距離和速度。



數學模型得到預測公式，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 鍵盤顯示單元

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



鍵盤模塊主要用于設定初始值（包括體重、步長等）、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，當設定好后停止按鍵，5s后系統自動重新開始測量，液晶顯示關閉以節省電能，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，由主程序及鍵盤處理、數據采集、報警、語音和液晶顯示5個子程序組成。圖7為系統主程序流程。系統上電后首先初始化，然后進行各參數的測定、顯示判斷超量報警等操作，同時檢測按鍵情況，若有按鍵按下，執行顯示和語音播報等功能。此系統編譯環境為unSPIDE2.6.2D，使用匯編語言與C語言混合編寫，其中中斷服務程序及液晶顯示等相關底層程序由匯編語言編寫，測量及語音播報等程序由C語言完成。鍵盤處理子程序通過定時器中斷方式調用。參數輸入采用菜單方式設定，包括步伐長度（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、心率超過上下限時報警；當測得行程達到行程提醒設定值時提醒。



5 結語

經實際測量表明，此設計方案具有低成本、低功耗、操作簡單等特點。該測量儀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。隨著人們對健康的關注，這種多功能便攜式測試儀將會有更廣闊的應用前景。本文的創新點在于集人體各種參數測量與安全報警功能為一體，液晶顯示和語音播報相結合，非常人性化。