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基于SPCE061A的人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-08-10 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
3.2 心率測(cè)量模塊

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/199733.htm

  心率測(cè)量模塊如圖3所示。首先將人體的脈搏通過(guò)壓電陶瓷片HTD27A-1轉(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào),經(jīng)高阻輸入級(jí)隔離和電壓放大級(jí)放大后將信號(hào)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(jì)數(shù),即可得出心率。

心率測(cè)量模塊框圖

  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(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:

  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(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(shù)(F/m)。

  采用石英晶體為壓電材料,其相對(duì)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(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(hào)送至后級(jí)電路處理前必須經(jīng)高阻輸入級(jí)以盡量減少電荷泄放,確保獲取電壓信號(hào)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(jí),如圖4所示。

  據(jù)后級(jí)電路處理要求,要放大采集的電壓信號(hào)。為濾除電壓信號(hào)中的噪聲信號(hào),便于后級(jí)數(shù)字電路處理獲得的信號(hào),后端電路采用20~200Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號(hào),經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后再送入單片機(jī)計(jì)數(shù),即可得到心率。

  3.3 跑步步數(shù)測(cè)量模塊

  跑步步數(shù)測(cè)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(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù),再乘以步長(zhǎng),即可得到行走距離和速度。

  數(shù)學(xué)模型得到預(yù)測(cè)公式,即可預(yù)測(cè)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(cè)公式計(jì)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(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(dāng)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(shè)定初始值(包括體重、步長(zhǎng)等)、報(bào)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(dòng)重新開(kāi)始測(cè)量,液晶顯示關(guān)閉以節(jié)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(bào)警值的設(shè)定。

  4 軟件設(shè)計(jì)

  軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法,由主程序及鍵盤(pán)處理、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、語(yǔ)音和液晶顯示5個(gè)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(cè)定、顯示判斷超量報(bào)警等操作,同時(shí)檢測(cè)按鍵情況,若有按鍵按下,執(zhí)行顯示和語(yǔ)音播報(bào)等功能。此系統(tǒng)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(cè)量及語(yǔ)音播報(bào)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(diào)用。參數(shù)輸入采用菜單方式設(shè)定,包括步伐長(zhǎng)度(計(jì)算行走速度及行程),體重、性別、身高、年齡(能量消耗計(jì)算),體溫上下限,心率上下限,行程提醒等。當(dāng)測(cè)得溫度、心率超過(guò)上下限時(shí)報(bào)警;當(dāng)測(cè)得行程達(dá)到行程提醒設(shè)定值時(shí)提醒。

人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)主流程圖

  5 結(jié)語(yǔ)

  該測(cè)量?jī)x可根據(jù)要求改變?cè)O(shè)定值,適于各年齡段人群的生理參數(shù)測(cè)量。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于集人體各種參數(shù)測(cè)量與安全報(bào)警功能為一體,液晶顯示和語(yǔ)音播報(bào)相結(jié)合,非常人性化。


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