基于C8051F330便攜式生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

     隨著人們生活水平的提高， 越來(lái)越多的人希望通過(guò)簡(jiǎn)便的方式了解身體基本狀況。因此人體生理監(jiān)護(hù)儀開(kāi)始出現(xiàn)并呈不斷增多的趨勢(shì)， 已經(jīng)由過(guò)去的單一測(cè)試儀發(fā)展為現(xiàn)在的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀。

　　在實(shí)際生活中， 生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀多是基于PC 機(jī)平臺(tái)的多參數(shù)測(cè)量、價(jià)格昂貴、體積龐大、不便于移動(dòng)?，F(xiàn)在多數(shù)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀無(wú)法準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的生理參數(shù)， 導(dǎo)致有些人特別是老年人運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大， 對(duì)身體造成較大傷害。而教練員因無(wú)法準(zhǔn)確掌握運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)生理參數(shù)變化， 而不能 因材施教!， 有針對(duì)性的制定訓(xùn)練方案， 所以運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練方式都是大眾化訓(xùn)練。綜上所述， 開(kāi)發(fā)一種體積小、價(jià)格低， 基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀就具有重要的意義。

　　1  系統(tǒng)方案

　　本系統(tǒng)采用C8051F330 作為該系統(tǒng)的單片機(jī)。系統(tǒng)整體硬件電路包括電源電路， 脈搏傳感器電路，溫度傳感器電路， 計(jì)步電路， 聲光報(bào)警電路和LED數(shù)碼管顯示電路等， 如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)總體方案

　　脈搏傳感器采用HK- 2000A， 輔以電平拉高電路使輸出脈搏信號(hào)滿(mǎn)足單片機(jī)I/O口的輸入高低電平要求，計(jì)數(shù)通過(guò)單片機(jī)外部中斷0。溫度傳感器采用DS18B20，傳感器使用VCC供電。計(jì)步模塊使用HA35DE， 傳感器采用VCC供電， 步伐計(jì)數(shù)通過(guò)單片機(jī)外部中斷1， 路程、卡路里等計(jì)算通過(guò)公式換算。LED數(shù)碼管采用4位共陰極連體數(shù)碼管， 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片采用周立功公司的ZLG7289B; 系統(tǒng)電源采用單電源3.3 V。

　　2  系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1  脈搏與溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用壓力型集成脈搏傳感器HK - 2000測(cè)量人體脈搏， 直接將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字型脈沖信號(hào)輸出， 其硬件電路如圖2 ( a)所示。脈搏傳感器輸出的脈沖信號(hào)高電平為VCC = - 1.5 V， 不足以使單片機(jī)識(shí)別為邏輯高電平， 采用分壓式電壓提升電路， 產(chǎn)生單片機(jī)可識(shí)別到脈沖信號(hào)。

　　本系統(tǒng)采用DS18B20 數(shù)字型溫度傳感器， 測(cè)量結(jié)果輸出為2 Byte 數(shù)字信號(hào)， 測(cè)量分辨率為0.1 °C 。溫度測(cè)量硬件電路如圖2 ( b ) 所示。

　　DS18B20采用VCC = 3.3 V 供電， 使I /O 線(xiàn)上不需要加強(qiáng)上拉， 在轉(zhuǎn)換期間能允許在單線(xiàn)總線(xiàn)上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)交換。

圖2  脈搏測(cè)量電路與測(cè)溫電路

　　2.2  計(jì)步測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用非電量電測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)步數(shù)， 當(dāng)人行走時(shí)， 腳、腿、腰部、手臂會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度。

　　通過(guò)腳的加速度對(duì)步數(shù)的檢測(cè)最準(zhǔn)確， 本設(shè)計(jì)要求攜帶方便， 故選擇利用腰部運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)步數(shù)。人體運(yùn)動(dòng)示意如圖3所示， 行走過(guò)程中， 通過(guò)腰部上下的垂直運(yùn)動(dòng)， 選取每次邁步時(shí)的加速度， 利用對(duì)加速度的峰值檢測(cè)得到行走的步數(shù)。

　　本系統(tǒng)采用3D加速度傳感器為核心來(lái)感應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)， 采用HA35DE 計(jì)步模塊測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)步數(shù)，計(jì)步測(cè)量的電路如圖4 所示。HA35DE 采用VCC =3.3 V供電， 2腳計(jì)步信號(hào)輸出為單步脈沖信號(hào)， 連接到單片機(jī)外部中斷口。

圖3  人體運(yùn)動(dòng)示意圖

圖4  計(jì)步測(cè)量電路

　　3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1  總體軟件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)進(jìn)行處理分析， 設(shè)置相應(yīng)的生理參數(shù)閾值并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，還可對(duì)超標(biāo)信號(hào)報(bào)警， 系統(tǒng)的軟件總體流程圖如圖5所示。

圖5  系統(tǒng)總體軟件流圖

　　3.2  脈搏與計(jì)步測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

　　脈搏計(jì)數(shù)通過(guò)單片機(jī)外部中斷0來(lái)實(shí)現(xiàn)， 外部中斷口0工作方式為上升沿觸發(fā)方式。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有效脈沖時(shí)， 計(jì)數(shù)器加1， 到達(dá)測(cè)量時(shí)間時(shí)， 判斷脈搏數(shù)是否超過(guò)閾值， 并判斷是否進(jìn)行報(bào)警。其軟件流程圖如圖6所示。

　圖6  脈搏測(cè)量流程圖

　　步伐計(jì)數(shù)通過(guò)單片機(jī)外部中斷1實(shí)現(xiàn)， 外部中斷口1工作方式為上升沿觸發(fā)方式， 當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有效脈沖時(shí)， 計(jì)數(shù)器加1。本系統(tǒng)的計(jì)步功能塊可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)步數(shù)測(cè)量， 運(yùn)動(dòng)距離測(cè)量， 運(yùn)動(dòng)消耗的能量計(jì)算， 通過(guò)按鍵切換實(shí)現(xiàn)。計(jì)步測(cè)量流程圖如圖7所示。

圖7  計(jì)步測(cè)量流程圖

　　4  結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的便攜式生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀能檢測(cè)人的體表溫度、脈搏、運(yùn)動(dòng)步數(shù)、消耗能量等參數(shù)， 具有實(shí)時(shí)測(cè)量及顯示的功能， 可將測(cè)得的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較， 當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)就進(jìn)行聲光報(bào)警提醒。本設(shè)計(jì)輕便小巧， 適合居家、鍛煉等使用。