周琪 盛黨紅 李海燕 戴曉天 周兵

南京工程學(xué)院，南京 21117

基于心率測量原理的便攜式運動負(fù)荷檢測儀設(shè)計

周琪 盛黨紅 李海燕 戴曉天 周兵

南京工程學(xué)院，南京 21117

本文基于MSP430單片機設(shè)計了一種手持式便攜設(shè)備，采用心率傳感器，基于心率測量原理實現(xiàn)人體運動后心率的測量，然后通過運動負(fù)荷轉(zhuǎn)換算法計算出用戶運動效果。

心率傳感器；MSP430；運動負(fù)荷檢測；便攜設(shè)備

Heart rate sensor; MSP430; Exercise stess testing; Portable devices

引言

近幾年，我國在校生的身體素質(zhì)明顯下滑，除了繁重的學(xué)業(yè)因素外，越來越多的學(xué)生把時間花費在了電腦等電子產(chǎn)品上，導(dǎo)致身體素質(zhì)下降；我國教育部曾提出“每天運動1小時，健康工作50年”的口號，倡導(dǎo)全民運動，增強全民體質(zhì)?；谝陨媳尘?，我們研制便攜式運動負(fù)荷檢測儀，不僅能增加用戶運動的趣味性和熱情，同時方便體育老師的日常教學(xué)考核工作，有較高的實用價值。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

人體負(fù)荷檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該儀器以MSP430為主控制器，外圍模塊主要由傳感器模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、USB通訊模塊、電源管理模塊等部分組成。其中，USB通訊模塊實現(xiàn)與上位機通訊，電源管理模塊由鋰電池供電[1-3]。

圖1 人體負(fù)荷檢測儀

在本系統(tǒng)中MSP430單片機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心控制部分，其能耗也是整個系統(tǒng)中最大的。系統(tǒng)選用了MSP430F149型16位單片機。MSP430系列單片機是TI公司設(shè)計的一款在低功耗方面具有鮮明特色的單片機，它的突出特點就是低電源電壓和靈活的時鐘源，可以使器件達到極低的功率消耗，可由多種電池供電，非常適用于手持式設(shè)備的開發(fā)[4-5]。傳感器模塊包括脈搏傳感器和加速度傳感器，用于檢測人的心跳及運動加速度。數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲檢測到的人體負(fù)荷信息。USB通信模塊用于上位機與單片機的通信，人機交互模塊用于用戶獲取自身運動信息并進行功能設(shè)置。電源管理模塊保證系統(tǒng)不斷電并實現(xiàn)對鋰電池的充電。

2 心率傳感器的選型

本產(chǎn)品采用的心率傳感器為合肥華科電子研究所生產(chǎn)的HK-2000A傳感器，如圖2所示。該型號采用高度集成化工藝的力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。靈敏度高；抗干擾性能強；過載能力強；一致性好；性能穩(wěn)定可靠；使用壽命長。模擬輸出，輸出同步于脈搏波動的脈沖信號，測試波形如圖3所示；該產(chǎn)品用于脈率檢測，如運動、健身設(shè)備中的心率測試[6]。固定方法如圖4所示。

圖2 HK2000A型壓電式心率傳感器

圖3 正常情況下脈搏波形

圖4 脈搏傳感器固定方法

3 運動負(fù)荷的計算

運動負(fù)荷評估體系中，運動心率=運動后即刻測得的6秒心率×10；1分鐘后心率=運動結(jié)束1分鐘后測得6秒的心率×10；運動后心臟恢復(fù)率＝（運動心率－1分鐘后心率）/10。除需要運動前后心率數(shù)據(jù)外，還需要使用兩個非常重要的參數(shù)，即靶心率和最大心率。其中靶心率范圍為最大心率×（60%～85%），最大心率=220-用戶年齡。這兩個參數(shù)是通過配置的用戶參數(shù)計算而得。運動負(fù)荷的計算規(guī)則如下表1和表2：

表1 有效鍛煉評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 用戶心臟功能評價與運動負(fù)荷指標(biāo)

4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容主要以MSP430F149單片機作為主控芯片，結(jié)合HK2000A心率傳感器作為采集器件，讀取用戶運動后的心率情況，再通過數(shù)據(jù)處理等程序，最終反映出用戶的運動效果。

軟件使用兩層設(shè)計結(jié)構(gòu)，底層為硬件驅(qū)動層，上層為圖形用戶界面（菜單系統(tǒng)）。硬件驅(qū)動層主要實現(xiàn)對外部設(shè)備的讀寫操作，提供外圍芯片的當(dāng)前數(shù)據(jù)與狀態(tài)；圖形用戶界面用以實現(xiàn)與使用者交互，實現(xiàn)狀態(tài)顯示、菜單選擇、參數(shù)設(shè)置等功能，與硬件無關(guān)，具有很好的可移植性能。

硬件驅(qū)動部分主要完成對硬件的操作，主要包括：設(shè)備驅(qū)動與初始化程序；GPIO讀寫；蜂鳴器控制；LED控制；液晶顯示器操作；按鍵讀?。恍穆首x??；EEPROM操作；溫度讀寫；DS1302時鐘讀寫。

圖形界面層主要是在硬件層的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了簡單的菜單顯示功能。在實現(xiàn)菜單功能的過程中，使用了鏈表作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有易擴展、易于修改的特點。我們先在51單片機上開發(fā)該菜單系統(tǒng)，之后成功移植到了MSP430系統(tǒng)上，進一步證明該菜單系統(tǒng)具有良好的可移植性。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)硬件設(shè)計，采用五個按鍵進行菜單操作，選擇處理一系列問題，主要步驟為：當(dāng)給設(shè)備上電后，首先進行設(shè)備初始化，顯示屏上顯示主頁界面和一些基本信息（比如時間、日期等），然后等待接收用戶的鍵入；根據(jù)相應(yīng)操作，顯示不同的菜單序列，提供對應(yīng)的信息設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示界面等，然后根據(jù)不同按鍵調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序，提供對應(yīng)的處理功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)流程圖如下所示：

圖6 軟件流程圖

5 結(jié)束語

基于心率測量原理的人體負(fù)荷檢測儀，能夠激發(fā)用戶的運動熱情和積極性。通過對該產(chǎn)品的外觀、性能、功能等方面進一步優(yōu)化，產(chǎn)品穩(wěn)定性將大大提高，對于提高人體運動素質(zhì)起到促進作用。

[1]秦龍.MSP430單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006

[2]趙德安等.單片機原理與應(yīng)用(第二版) [M].北京：機械工業(yè)出版社，2010

[3]張福才，張銳，汝洪芳.MSP430單片機自學(xué)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011

[4]黃根春，周立青，張望先.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽教程——基于TI器件設(shè)計方法[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007

[5]洪利，章?lián)P，李世寶.MSP430單片機原理與應(yīng)用實例詳解[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010

[6]楊紅紅，毛堯輝，高滿屯，苑偉政.一種MEMS胎兒心率測量儀的設(shè)計與仿真平[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2008，17（4）：116-118.

A hand-helpd ortablee quipmeins t designebd ased on MSP430 microcontrolltehr, e measuremeonf t heart rate after exercisei s achievedb y the use of heart rate sensorst, he effect of use r movemeinst calculatebd y exercisel oad conversion algorithm.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.101

周琪（1990-），男，南京工程學(xué)院自動化學(xué)院學(xué)生。