基于IAP15單片機的智能穿戴設(shè)備設(shè)計

張磊 張旭君

摘要：在社會日益發(fā)展的今天，在以滿足物質(zhì)需求的前提下，越來越多的人開始關(guān)注自己和家人的健康問題。雖然科技日益進步，但是對上班族來說，久坐以及長時間的腦力勞動會造成一定的身體問題，如肥胖癥、高血壓、失眠等等。為了更好地記錄和查看人體的健康水平，提醒人們生理參數(shù)值變化，幫助人們養(yǎng)成良好的健康習慣，本項目基于了IAPl5F2K61S2型號的單片機，利用了血氧與心率檢測原理、計步算法、遠程監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計了一款可穿戴智能設(shè)備，既能記錄使用者步行運動情況、消耗卡路里，又能檢測出當前血氧、心率數(shù)值，同時可以將信息數(shù)值發(fā)送到其他指定成員的終端設(shè)備上。

關(guān)鍵詞：單片機;計步器;血氧;心率;智能穿戴設(shè)備

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0205-02

1計步器的設(shè)計

1.1設(shè)計任務(wù)與思路

電子的計數(shù)器與具有振動效果的傳感器組成了計步器，通過分析人們走路時狀態(tài)的變化，發(fā)現(xiàn)重心隨著步伐上下變化，尤其是腰部區(qū)域幅度最大。對于計步器，振動傳感器最為重要，起到監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)的作用。在傳感器捕獲行走步數(shù)、使用者步伐后，通過算法分析得到行走的總長度以及消耗能量值大小，方便于起到檢測運動程度的作用。

計步器是包含復(fù)位與振蕩電路、傳感器模塊、按鍵部分和數(shù)碼管顯示部分等等幾個方面。其中，復(fù)位部分用來讓IAPl5單片機恢復(fù)至最初的水平，并且開始重新工作;振蕩電路部分則為IAPl5提供了一個來自外部的時鐘信號;數(shù)碼管顯示部分用來顯示人行走的步數(shù)，并且被單片機所控制;按鍵模塊部分提供了按鍵控制使得IAPl5部分功能手動實現(xiàn);傳感器是檢測隨步伐變化而產(chǎn)生的人體振動，若當監(jiān)控到出現(xiàn)振動，那么傳感器將返回一個低電平，通知單片機進行步數(shù)的采集。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

1.2硬件的設(shè)計

（1）復(fù)位電路

復(fù)位電路是用來進行上電復(fù)位的，當釋放了按鍵時，電路給電容進行充電直到其飽和，此時可以將電容看成是斷路，由于有電阻，RST將會連接到地，即表現(xiàn)出低電平。當按鍵被按下，通過電阻，RST將會連接到VCC，即呈現(xiàn)高電平。當按鍵釋放后，電容將會變成充電狀態(tài)并且持續(xù)一段時間的高電位狀態(tài)，這即為復(fù)位系統(tǒng)。該部分的硬件電路圖如圖2所示。

（2）振蕩電路

IAPl5F內(nèi)部存在著振蕩電路，它主要是反向的放大器組成，這個部分的電路是用以確保單片機能夠穩(wěn)定工作的。當振蕩器出現(xiàn)不規(guī)律的運行狀態(tài)時，系統(tǒng)將會在執(zhí)行程序階段產(chǎn)生一定的時間差異。特別是處于高頻階段下，如果單片機內(nèi)部的時鐘不夠準確，外部的振蕩電路部分的存在，在時鐘電路中將電容用來阻止干擾，將會讓晶振的頻率變得平穩(wěn)精確。該部分的硬件電路圖如圖3所示。

（3）傳感器模塊部分

振動傳感器會在有檢測出機械振動的信號的狀態(tài)下，配合整個閉環(huán)電路，使得機械性的振動信號轉(zhuǎn)換并輸出為電信號。

該傳感器部分的使用特點如下：

①具有對各類型的振動產(chǎn)生觸發(fā)的作用，如電子積木、智能車、報警等;

②當模塊捕獲小的振動時會具有短促的觸發(fā)間隔，無法使繼電器被喚醒;

③當沒有出現(xiàn)振動時，電路開關(guān)是斷開的，此時將會輸出邏輯“1”，即為高電平，指示燈就不會被點亮;

④當有振動發(fā)生時，開關(guān)立即閉合，將會輸出邏輯“0”，即為低電平，指示燈就會被點亮;

⑤為了監(jiān)視是否發(fā)生了振動現(xiàn)象，可以將輸出端同IAPl5F直接連接，在分析輸出的電平的高低狀態(tài)后實現(xiàn)報警的功能。

（4）其他電路部分

為了更方便使用者觀察數(shù)據(jù)，需要設(shè)計由4位的LED共陽極數(shù)碼管組成的屏幕，使用八段的數(shù)碼管且每段都具有發(fā)光二極管，對共陽極的數(shù)碼管來說，將陽極共接到單片機的VCC端，通過輸入的代碼進行數(shù)碼管的位選和段選，從而顯示不同的數(shù)字段。

與此同時，設(shè)計一個按鍵電路實現(xiàn)手動控制功能，當不同的按鍵被使用者按下時，步數(shù)可以被存儲、被清零，使用者可以瀏覽到存儲的歷史記錄以及查閱下一項記錄等等。

2血氧與心率檢測的設(shè)計

2.1血氧飽和度檢測的原理

血氧飽和度的檢測原理既有分光光度的測定，又有對血容積的描述。為了能讓光電探測器分辨出具有各種波長的光，需要調(diào)節(jié)LED進行關(guān)閉與打開的不斷切換。通過使用940nm波長的紅外光以及660nm波長的紅光來進行分光光度檢測。分析對660nm波長的紅光來說，氧合血紅蛋白（HbO21會有比較少量的吸收效果，但對940nm波長的紅外光來說，會吸收相對較多。這個結(jié)論與血紅蛋白（Hb）恰好相反。因此，當分析紅外光與紅光的吸收程度的比值時，可以得到血氧的飽和水平。

在設(shè)計該血氧飽和度檢測系統(tǒng)時，先給探頭的左側(cè)分別安裝上可以發(fā)出紅光的發(fā)光管以及可以發(fā)出紅外光的發(fā)光管，同時為了將捕獲的手指中動脈血管的紅外以及紅光變換成為電信號，將探頭右側(cè)安裝上光電檢測器。已知了紅光與紅外光在人體各組成部分中吸收程度的定值（包括脂肪、骨頭、靜脈血、肌肉、皮膚等等各個部分），當氧合血紅蛋白和血紅蛋白在動脈血中的濃度受到動脈周期改變時，轉(zhuǎn)換后的電信號也會有所周期性變化。分析這些變化的電信號就能檢測到血氧飽和度并且通過算法分析脈率。

除此之外，血液發(fā)生的搏動也會直接影響血氧飽和度。當有光源照射到外周組織，檢測該光束的強弱水平會與心臟跳動的周期相互關(guān)聯(lián)。當心臟收縮狀態(tài)下，外周血的容量會十分得多，此時光的吸收量也會十分得多，但是可以捕獲到的光能量卻很小，而正好和心臟舒張狀態(tài)下的結(jié)果相反。光的吸收量改變很大程度上意味著血容量改變，因此，光能的大小才能被搏動的血容量所改變。

其中，血氧飽和度方程式為：

但由于外界環(huán)境中的光線會對檢測信號有所干擾，需要除去透射光中的干擾部分。當兩種波長的透射光作用于人體各部位以后，因為氧合血紅蛋白（Hb02）與血紅蛋白（Hb）在吸收水平方面是存在了差異的，可以找到吸收量與人體組織f如血液、骨骼、膚色等等）之間的函數(shù)關(guān)系。而吸收又包含了搏動與非搏動兩種吸收，轉(zhuǎn)換為電信號時，閉合回路中的交流部分可以看出是由搏動的動脈血產(chǎn)生，而直流是固定吸收并且是非搏動的靜脈血、動脈血以及人體組織產(chǎn)生。

2.2血氧監(jiān)視的有限性

血氧飽和度的監(jiān)視部分是為了檢測氧合血紅蛋白（HbO2）和去氧血紅蛋白（Hb）的數(shù)值變化，但并沒有針對一些具有血紅蛋白病變的患者，比如存在高鐵血紅蛋白和碳氧血紅蛋白。盡管氧合型和碳氧型是具有相似的吸收紅光水平的血紅蛋白，但是后者所顯示出來的血氧飽和度會比正常情況下高，此時只有分析動脈血才可以得出準確數(shù)值。同時，當檢測病人時，一些躁動行為也會影響SPO2的檢測，而且當病人出現(xiàn)血液循環(huán)不通暢、休克等等生理病癥時，會由于低動脈血流而導致監(jiān)測結(jié)果的不準確。除此之外，當血氧檢測探頭被外界自然光強烈照射時，也會使得接收到的光電信號與準確值有較大差異。

3總結(jié)

在設(shè)計完計步器以及血氧與心率檢測部分以后，使用藍牙與WIFI技術(shù)，將由IAPl5F2K61s2單片機所主要控制的穿戴設(shè)備與手機終端進行通信。整體智能可穿戴設(shè)備實現(xiàn)了測量運動程度、換算運動所消耗的卡路里、檢測人體心率血氧、上傳健康數(shù)據(jù)至手機終端等等功能。同時設(shè)置了按鍵可手動控制、查看、上傳并保存數(shù)據(jù)，也設(shè)置了液晶顯示屏方便使用者直觀獲取數(shù)據(jù)。本文所討論設(shè)計的智能可穿戴設(shè)備利用了血氧與心率檢測原理、計步算法、遠程監(jiān)控技術(shù)，包含光電式脈搏傳感器模塊、振動傳感器模塊、復(fù)位振蕩電路、按鍵模塊、數(shù)碼管顯示模塊等等，實現(xiàn)了上述各項功能，具有綜合性、先進性以及一定的市場價值。