心率測量模塊 - 基于SPCE061A的人體生理參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計

　　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)，一定的壓力作用會使壓電材料石英晶體的兩個極板間產(chǎn)生一定的電壓。沿石英晶體電軸方向施加作用力Fx時，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為外部時鐘源輸入。跑步或走路時，手臂擺動，水銀開關(guān)隨之通斷，通過單片機(jī)進(jìn)行計數(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、報警值的設(shè)定。

　　4 軟件設(shè)計

　　軟件采用模塊化設(shè)計方法，由主程序及鍵盤處理、數(shù)據(jù)采集、報警、語音和液晶顯示5個子程序組成。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、顯示判斷超量報警等操作，同時檢測按鍵情況，若有按鍵按下，執(zhí)行顯示和語音播報等功能。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(diào)用。參數(shù)輸入采用菜單方式設(shè)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(dāng)測得溫度、心率超過上下限時報警；當(dāng)測得行程達(dá)到行程提醒設(shè)定值時提醒。

　　5 結(jié)語

　　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。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于集人體各種參數(shù)測量與安全報警功能為一體，液晶顯示和語音播報相結(jié)合，非常人性化。