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，越來越多的人希望通過簡(jiǎn)便的方式了解身體基本狀況。因此人體生理監(jiān)護(hù)儀開始出現(xiàn)并呈不斷增多的趨勢(shì)，已經(jīng)由過去的單一測(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)度過大，對(duì)身體造成較大傷害。而教練員因無法準(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。

    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)滿足單片機(jī)I／O口的輸入高低電平要求，計(jì)數(shù)通過單片機(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)通過單片機(jī)外部中斷1，路程、卡路里等計(jì)算通過公式換算。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℃。溫度測(cè)量硬件電路如圖2(b)所示。DS1-8B20采用Vcc=3．3 V供電，使I／O線上不需要加強(qiáng)上拉，在轉(zhuǎn)換期間能允許在單線總線上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)交換。
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)來檢測(cè)步數(shù)。人體運(yùn)動(dòng)示意如圖3所示，行走過程中，通過腰部上下的垂直運(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。

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。

3．2 脈搏與計(jì)步測(cè)量軟件設(shè)計(jì)
    脈搏計(jì)數(shù)通過單片機(jī)外部中斷0來實(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)是否超過閾值，并判斷是否進(jìn)行報(bào)警。其軟件流程圖如圖6所示。

    步伐計(jì)數(shù)通過單片機(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，通過按鍵切換實(shí)現(xiàn)。計(jì)步測(cè)量流程圖如圖7所示。

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。