孫雅彤 張馨內(nèi) 賈新宇 史佳音

摘要：心率包含了大量的人體健康狀況的信息，心率檢測(cè)儀器應(yīng)準(zhǔn)確、客觀、便捷、及時(shí)。本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控元件，采用反射式光電傳感器SON1303采集使用者的心跳信號(hào)，由LCD1602數(shù)字液晶顯示頻顯示心跳數(shù)及時(shí)間等。采用藍(lán)牙模塊將心率信息傳輸?shù)绞謾C(jī)端，使用者可以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)自己的身體狀況。采用太陽能充電，實(shí)現(xiàn)社會(huì)能源清潔化，設(shè)計(jì)利用太陽能對(duì)鋰電池進(jìn)行反復(fù)的充電，節(jié)省能源。該裝置可安置到社區(qū)、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、學(xué)校操場(chǎng)、健身房等公共場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備心率儀的共享，運(yùn)動(dòng)者隨時(shí)可以測(cè)量心率，時(shí)刻監(jiān)測(cè)心率變化，及時(shí)了解身體各項(xiàng)機(jī)能來提醒自己調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，從而為人們科學(xué)健身提供指導(dǎo)，營造全民健康健身的和諧氛圍。

關(guān)鍵詞：新能源;心率監(jiān)測(cè);全民健身;共享

1 引言

近年來，“遠(yuǎn)程監(jiān)控”、“遠(yuǎn)程醫(yī)療”、“移動(dòng)健康”、“共享醫(yī)療服務(wù)”等概念相繼涌現(xiàn)，在生命體征監(jiān)控方面有了許多新的需求。針對(duì)我國移動(dòng)健康、適普醫(yī)療等迫切需求，研制面向個(gè)人生命體征智能采集和看護(hù)系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。本文主要研究一款基于新能源供電的體育運(yùn)動(dòng)心率監(jiān)測(cè)智能裝置。運(yùn)用高集成脈沖反射方法采集人的心率變化，增加藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)太陽能供電模塊實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。本裝置安裝靈活，可安置到公園、操場(chǎng)、健身房等公共場(chǎng)所，也可安裝到健身器材上，時(shí)刻監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的心率變化來提醒他調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，提出共享醫(yī)療設(shè)備的概念，為人們科學(xué)健身提供指導(dǎo)，營造全民健康健身的氛圍。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新能源體育運(yùn)動(dòng)心率監(jiān)測(cè)智能裝置設(shè)計(jì)模型如圖1所示

如圖1所示，使用者將手放在監(jiān)測(cè)點(diǎn)，心率狀況將會(huì)在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，方便使用者在確保運(yùn)動(dòng)正常進(jìn)行的情況下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自己的心率，以及時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。使用者也可以通過藍(lán)牙和本裝置相連，在手機(jī)上長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)自己的身體狀況。本裝置采用太陽能供電，確保裝置的正常運(yùn)作。

3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊劃分為：①心率傳感器部分;②單片機(jī)處理電路部分;③太陽能充電電路;④顯示電路;⑤藍(lán)牙模塊。

3.1心率傳感器部分

主要包括心率信號(hào)的采集、信號(hào)放大電路。通常情況下，心率信號(hào)近似成周期性，但不是確定的周期性信號(hào)，信號(hào)頻率較低，容易引入干擾。心率傳感器輸出是毫伏級(jí)信號(hào)，需要通過信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為可供微處理器識(shí)別的脈沖信號(hào)。

目前常用的心率監(jiān)測(cè)方法有：心電圖法[1-2]、光電容積脈搏波描記法（PGG）[3-4]、生物電阻抗法[5-6]等。其中PGG法的運(yùn)用最為廣泛。[7]

光電式脈搏傳感器主要由光源、光敏器件、信號(hào)調(diào)理控制電路構(gòu)成。因采用不同的光敏元件而有多種實(shí)現(xiàn)方法。光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和硅光電池。光敏元器件輸出的電流極低易受到外界干擾，而且對(duì)后續(xù)的放大器的要求較高，故經(jīng)光敏元件及后繼的信號(hào)處理、放大、調(diào)理電路等構(gòu)成的分立式脈搏采集電路較復(fù)雜，易受眾多干擾，檢測(cè)不穩(wěn)定。集成脈搏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無損傷、體積小、功耗低、可重復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)選用反射式光電脈搏傳感器SON1303，符合運(yùn)動(dòng)心率儀可穿戴、便攜、低功耗、精確可靠的要求。

主要器件是SON1303傳感器，它內(nèi)部集成了高科技納米涂層的環(huán)境光檢測(cè)傳感器，采用高集成脈沖反射方法的脈沖計(jì)模塊來采集人的心跳，測(cè)量的靈敏度更高，再將變化的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)放多級(jí)放大后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)計(jì)算出心跳速度并將計(jì)算結(jié)果通過LCD實(shí)時(shí)刷新，實(shí)現(xiàn)從采集心跳到心率顯示的過程。

采用SON1303反射式光電傳感器檢測(cè)心率信號(hào)，其內(nèi)部有兩對(duì)LED發(fā)光管和接收管，由發(fā)光管提供綠色光源，可照射人體皮膚，接收管接收人體皮膚反射回來的光。SON1303采用570 nm波長(zhǎng)的綠光，與紅外光相比反射率更高，測(cè)量感度更高，同時(shí)也可提高信噪比。其內(nèi)部集成納米涂層環(huán)境光檢測(cè)傳感器，過濾不需要的光源，可減少由其他光源干擾的誤判動(dòng)作。人體組織充血時(shí)的透明度減小，接收管接收到的光強(qiáng)度減弱，人體組織缺血時(shí)的透明度減大，接收管接收到的光強(qiáng)度增強(qiáng)。SON1303接收的反光信號(hào)后經(jīng)內(nèi)部電路放大，由VOUT引腳輸出電壓信號(hào)。電阻R2、R3起限流保護(hù)作用，電阻R4用于VOUT引腳的下拉鉗位。SON1303可輸出與心跳頻率一致的電壓信號(hào)。

3.2單片機(jī)處理部分

新能源體育運(yùn)動(dòng)心率監(jiān)測(cè)智能裝置以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控元件，采用反射式光電傳感器SON1303采集身體各個(gè)部位采集的心跳信號(hào)，最終由LCD1602數(shù)字液晶顯示頻顯示心跳數(shù)及時(shí)間等。

接收電路部分的光耦濾波則集成了光敏IC和低噪聲放大器，測(cè)量的靈敏度更高，再將變化的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)放多級(jí)放大后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)接收到外部中斷信號(hào)后執(zhí)行相應(yīng)指令。CPU對(duì)輸入的脈沖信號(hào)通過一系列的算法計(jì)算后。單片機(jī)計(jì)算出心跳速度并將計(jì)算結(jié)果通過LCD實(shí)時(shí)刷新，實(shí)現(xiàn)從采集心跳到心率顯示的過程。

3.3太陽能充電電路

太陽能電池板在使用的時(shí)候，由于太陽光線的變化，溫度的大小等因素，導(dǎo)致其輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流小。所以必須利用充電控制電路將電池板輸出紅給蓄電池供電。在光線條件適宜的時(shí)候，通過太陽能電池板輸出7-12V電壓，系統(tǒng)需要的5V電壓，需要利用降壓轉(zhuǎn)換器LM2575來輸出穩(wěn)定的5V電壓對(duì)鋰電池進(jìn)行反復(fù)的充電，節(jié)省能源。

太陽能電池器件是能將光能轉(zhuǎn)化為電能的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，現(xiàn)以硅晶體為例，當(dāng)太陽光照射到器件表面時(shí)，一部分光子被硅吸收;其能量傳遞給了硅原子，使硅的電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。根據(jù)蓄電池的高低，調(diào)節(jié)充電電流的大小，并決定時(shí)候向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)，故應(yīng)該在太陽能電池板之后連接一個(gè)充電控制電路并滿足以下幾個(gè)需求。

（1）經(jīng)常保持蓄電池處于飽滿狀態(tài)

（2）防止蓄電池過度充電

（3）防止蓄電池過度放點(diǎn)

（4）防止夜晚蓄電池反向充電

降壓式DC/DC變換器，簡(jiǎn)稱降壓式變換器，也稱Buck變換器，是最常用的DC/DC變換器之一。降壓式變換器能將較高的直流電壓變換成較低的直流電壓，例如將24V電壓變換成12V或5V電壓。降壓式變換器的損耗很小，效率很高，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

3.4 顯示電路

顯示電路采用LCD1602，LCD1602的顯示內(nèi)容為16*2，即可以顯示兩行每行16個(gè)字符液晶顯示，且系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，穩(wěn)定可靠，通過3個(gè)控制引腳RS R/WE將單片機(jī)處理分析后的數(shù)據(jù)送到8個(gè)數(shù)據(jù)引腳DB0-7，進(jìn)而顯示出心率及時(shí)間。

LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。

LCD1602具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）LCD1602 液晶顯示模塊（其內(nèi)部控制器為HD44780 芯片），它可以顯示兩行，每行顯示16 個(gè)字符，也就像32 個(gè)LED 數(shù)碼管，而且相對(duì)而言顯示的信息內(nèi)容豐富。

（2）采用單+5V 電壓，外圍電路配置不復(fù)雜。價(jià)格低廉，性價(jià)比相對(duì)較好。

（3）體積小巧，質(zhì)量輕薄。LCD1602液晶模塊通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，相對(duì)于其他屏幕質(zhì)量輕很多。

（4）顯示質(zhì)量高。LCD1602的每個(gè)點(diǎn)在接收信號(hào)后都保持了顏色和亮度，所以它會(huì)發(fā)出恒定的光，畫質(zhì)高，不會(huì)發(fā)生閃爍。

（5）數(shù)字式接口。LCD1602是數(shù)字式的接口和單片機(jī)系統(tǒng)的接口，操作更加簡(jiǎn)單方便。

（6）LCD1602消耗的功率較小。

3.5藍(lán)牙模塊

采用藍(lán)牙模塊由芯片、PCB板、外圍器件構(gòu)成，采用串行接口，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)裝置與使用者手機(jī)之間的心率數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙模塊可以避免射頻信號(hào)到中頻信號(hào)的變換，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

4結(jié)論

新能源體育運(yùn)動(dòng)心率監(jiān)測(cè)智能裝置，融合了現(xiàn)代傳感技術(shù)與新能源供電技術(shù)，對(duì)心率信息進(jìn)行收集處理，實(shí)時(shí)顯示使用者的心率狀況。經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)試運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，各模塊電路運(yùn)行正常，太陽能供電正常，裝置基本可以準(zhǔn)確測(cè)量出使用者的心率狀況并實(shí)時(shí)顯示。下一步將優(yōu)化融合各模塊，主要重點(diǎn)在改進(jìn)其心率監(jiān)測(cè)模塊，使其采集數(shù)據(jù)更加精確快速，同時(shí)可以適應(yīng)各種室外環(huán)境變化。

參考文獻(xiàn)

[1]孫燕，田忠新，李銀奎. 長(zhǎng)時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖 ECG 數(shù)據(jù)可視化[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（11）：24–27.

[2]朱宏亮，韓兆星，余松林，等. 低溫環(huán)境下心率變異性分析研究[J]. 生物醫(yī)學(xué)工程研究，2019，38（3）：275–278，315.

[3]陳炎，李丹，李彥海，等. 基于加速度傳感器的心率信號(hào)處理及檢測(cè)方法[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（9）：67–70.

基金項(xiàng)目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“新能源體育運(yùn)動(dòng)心率監(jiān)測(cè)智能裝置”（202110066085）

作者簡(jiǎn)介：孫雅彤（2000-），女，本科生，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。