新能源體育運動心率監(jiān)測智能裝置設計

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，心率檢測儀器應準確、客觀、便捷、及時。本設計以STM32F103C8T6單片機作為主控元件，采用反射式光電傳感器SON1303采集使用者的心跳信號，由LCD1602數(shù)字液晶顯示頻顯示心跳數(shù)及時間等。采用藍牙模塊將心率信息傳輸?shù)绞謾C端，使用者可以長期監(jiān)測自己的身體狀況。采用太陽能充電，實現(xiàn)社會能源清潔化，設計利用太陽能對鋰電池進行反復的充電，節(jié)省能源。該裝置可安置到社區(qū)、養(yǎng)老機構、學校操場、健身房等公共場所，實現(xiàn)醫(yī)療設備心率儀的共享，運動者隨時可以測量心率，時刻監(jiān)測心率變化，及時了解身體各項機能來提醒自己調(diào)整運動強度，從而為人們科學健身提供指導，營造全民健康健身的和諧氛圍。

關鍵詞：新能源;心率監(jiān)測;全民健身;共享

1 引言

近年來，“遠程監(jiān)控”、“遠程醫(yī)療”、“移動健康”、“共享醫(yī)療服務”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。針對我國移動健康、適普醫(yī)療等迫切需求，研制面向個人生命體征智能采集和看護系統(tǒng)是非常有價值的。本文主要研究一款基于新能源供電的體育運動心率監(jiān)測智能裝置。運用高集成脈沖反射方法采集人的心率變化，增加藍牙模塊實現(xiàn)與手機的數(shù)據(jù)傳輸，設計太陽能供電模塊實現(xiàn)能源的合理利用。本裝置安裝靈活，可安置到公園、操場、健身房等公共場所，也可安裝到健身器材上，時刻監(jiān)測運動者的心率變化來提醒他調(diào)整運動強度，提出共享醫(yī)療設備的概念，為人們科學健身提供指導，營造全民健康健身的氛圍。

2 系統(tǒng)總體設計

新能源體育運動心率監(jiān)測智能裝置設計模型如圖1所示

如圖1所示，使用者將手放在監(jiān)測點，心率狀況將會在顯示屏上實時顯示，方便使用者在確保運動正常進行的情況下實時監(jiān)測自己的心率，以及時調(diào)整運動強度。使用者也可以通過藍牙和本裝置相連，在手機上長期監(jiān)測自己的身體狀況。本裝置采用太陽能供電，確保裝置的正常運作。

3 硬件設計與實現(xiàn)

本設計的系統(tǒng)模塊劃分為：①心率傳感器部分;②單片機處理電路部分;③太陽能充電電路;④顯示電路;⑤藍牙模塊。

3.1心率傳感器部分

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

目前常用的心率監(jiān)測方法有：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、信號調(diào)理控制電路構成。因采用不同的光敏元件而有多種實現(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處理、放大、調(diào)理電路等構成的分立式脈搏采集電路較復雜，易受眾多干擾，檢測不穩(wěn)定。集成脈搏傳感器具有結構簡單、無損傷、體積小、功耗低、可重復好等優(yōu)點，故本設計選用反射式光電脈搏傳感器SON1303，符合運動心率儀可穿戴、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)境光檢測傳感器，采用高集成脈沖反射方法的脈沖計模塊來采集人的心跳，測量的靈敏度更高，再將變化的信號進行運放多級放大后送到單片機進行處理，單片機計算出心跳速度并將計算結果通過LCD實時刷新，實現(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心率信號，其內(nèi)部有兩對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波長的綠光，與紅外光相比反射率更高，測量感度更高，同時也可提高信噪比。其內(nèi)部集成納米涂層環(huán)境光檢測傳感器，過濾不需要的光源，可減少由其他光源干擾的誤判動作。人體組織充血時的透明度減小，接收管接收到的光強度減弱，人體組織缺血時的透明度減大，接收管接收到的光強度增強。SON1303接收的反光信號后經(jīng)內(nèi)部電路放大，由VOUT引腳輸出電壓信號。電阻R2、R3起限流保護作用，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。

3.2單片機處理部分

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

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，測量的靈敏度更高，再將變化的信號進行運放多級放大后送到單片機進行處理，單片機接收到外部中斷信號后執(zhí)行相應指令。CPU對輸入的脈沖信號通過一系列的算法計算后。單片機計算出心跳速度并將計算結果通過LCD實時刷新，實現(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候，由于太陽光線的變化，溫度的大小等因素，導致其輸出電壓不穩(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，需要利用降壓轉換器LM2575來輸出穩(wěn)定的5V電壓對鋰電池進行反復的充電，節(jié)省能源。

太陽能電池器件是能將光能轉化為電能的器件。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種，現(xiàn)以硅晶體為例，當太陽光照射到器件表面時，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結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會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，并決定時候向負載供電，實現(xiàn)以下目標，故應該在太陽能電池板之后連接一個充電控制電路并滿足以下幾個需求。

（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

（4）防止夜晚蓄電池反向充電

降壓式DC/DC變換器，簡稱降壓式變換器，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，應用領域十分廣泛。

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個字符液晶顯示，且系統(tǒng)軟硬件設計簡單方便，穩(wěn)定可靠，通過3個控制引腳RS R/WE將單片機處理分析后的數(shù)據(jù)送到8個數(shù)據(jù)引腳DB0-7，進而顯示出心率及時間。

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）、控制驅動主電路HD44780及其擴展驅動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結構件等裝配在PCB板上而組成。

LCD1602具有如下優(yōu)點：

（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 個字符，也就像32 個LED 數(shù)碼管，而且相對而言顯示的信息內(nèi)容豐富。

（2）采用單+5V 電壓，外圍電路配置不復雜。價格低廉，性價比相對較好。

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

（4）顯示質量高。LCD1602的每個點在接收信號后都保持了顏色和亮度，所以它會發(fā)出恒定的光，畫質高，不會發(fā)生閃爍。

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

（6）LCD1602消耗的功率較小。

3.5藍牙模塊

采用藍牙模塊由芯片、PCB板、外圍器件構成，采用串行接口，實現(xiàn)心率監(jiān)測裝置與使用者手機之間的心率數(shù)據(jù)傳輸。藍牙模塊可以避免射頻信號到中頻信號的變換，使系統(tǒng)結構更加簡單。

4結論

新能源體育運動心率監(jiān)測智能裝置，融合了現(xiàn)代傳感技術與新能源供電技術，對心率信息進行收集處理，實時顯示使用者的心率狀況。經(jīng)過一段時間的調(diào)試運行后發(fā)現(xiàn)，各模塊電路運行正常，太陽能供電正常，裝置基本可以準確測量出使用者的心率狀況并實時顯示。下一步將優(yōu)化融合各模塊，主要重點在改進其心率監(jiān)測模塊，使其采集數(shù)據(jù)更加精確快速，同時可以適應各種室外環(huán)境變化。

參考文獻

[1]孫燕，田忠新，李銀奎. 長時動態(tài)心電圖 ECG 數(shù)據(jù)可視化[J]. 實驗室研究與探索，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處理及檢測方法[J]. 科學技術與工程，2016，16（9）：67–70.

基金項目：天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“新能源體育運動心率監(jiān)測智能裝置”（202110066085）

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