共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置的設(shè)計

彭梓路，王麗，武云同，閻駿，杜文輝，侯世龍，許鈞然

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津，300392）

0 引言

隨著現(xiàn)代人們生活品質(zhì)的提高，大家對身體健康的關(guān)注度越來越高。共享健身倉分布在社區(qū)、街道和公園里，同時按小時收費，方便了大眾并減輕了支出負擔。不同于傳統(tǒng)健身房需要大量人員的管理和運營模式，“共享健身倉”的管理更多是依靠網(wǎng)絡(luò)和智能化設(shè)備，運營上免去大部分的人員支出。與健身卡使用不方便的局限性相比，共享健身倉在社區(qū)內(nèi)部裝配可滿足多數(shù)住戶的運動需要，增強大眾的身體素質(zhì)，同時吸引年輕人的目光，增大當代青年的運動量。

本文設(shè)計的共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置采用太陽能供電，對能源進行了合理利用，符合綠色的生態(tài)底色。同時該設(shè)備智能化，為大眾提供了科學(xué)性的運動參考?？蓪⑦\動數(shù)據(jù)上傳至云端平臺的功能，給大眾帶來了更多的生活便利，提高了生活的幸福感。該設(shè)備小巧，社區(qū)、公園、鄉(xiāng)村等地都易于投放。

1 共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置的設(shè)計

共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

太陽能板連接太陽能充電電路，獲得穩(wěn)定的電壓對蓄電池進行反復(fù)充電。心率傳感電路、血氧傳感電路和體溫傳感電路的信號傳遞給單片機，單片機將結(jié)果通過LCD 顯示。

（1）太陽能充電電路：太陽能電池板在使用過程中，由于太陽輻射的變化、溫度的高低等因素，輸出電壓不穩(wěn)定，輸出電流小。當光照條件合適時，降壓型LM2575ADJ 轉(zhuǎn)換器將太陽能電池板電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V 電壓，并反復(fù)為鋰電池充電，節(jié)省能源。LM2575ADJ 芯片輸出的紋波電壓小，對輸出濾波電容的要求不高，故接入負載時影響較小 。電量儲存在鋰電池中，鋰電池可以拆除和更換，允許在陰雨的天氣中正常使用。

（2）心率傳感電路：心率傳感電路的設(shè)計，主要是對心跳信號進行采集和放大。一般地，心跳是一種非確定性的周期，且其頻率很低，很可能會引起噪聲。心跳檢測器所輸出的訊號為毫伏量級，必須經(jīng)過訊號處理后才能被單片機辨識。心率傳感電路的主要器件是SON1303 傳感器，內(nèi)置反射式光電傳感器，適合可以放在人的手指、手腕部位測試人體的脈搏[2]。該儀器使用了一種高度集成化的脈沖反射法中的脈搏計模件，實現(xiàn)了對人體心率的高靈敏檢測。

（3）血氧傳感電路：采用SI1143 芯片構(gòu)建的血氧傳感器可以準確地監(jiān)測血液中的氧氣濃度。該傳感器利用紅外接近感應(yīng)—一種非接觸式手勢接近滾軸技術(shù)，配備1 個紅色發(fā)光二極管 (Light Emitting Diode,LED) 和2 個紅外線LED,可以感測和計算血氧飽和度 (Sp O2) 與心率。只要簡單地動作或者手勢，相應(yīng)的裝置就能迅速監(jiān)測到人體的接近[3]。

（4）體溫傳感電路：采用安費諾公司的熱電堆紅外溫度傳感器ZTP-135SR，可以有效地接收和傳輸被測目標發(fā)出的紅外輻射能量，并將其轉(zhuǎn)換成可靠的電信號，從而實現(xiàn)對目標體溫的實時監(jiān)測。傳感器內(nèi)部主要由熱敏電阻和熱電堆組成，熱敏電阻用于感知環(huán)境溫度，阻值隨著環(huán)境溫度的變化而變化，用作環(huán)境溫度補償；熱電堆感知被測目標溫度和環(huán)境溫度之間的溫度差，兩端的輸出電壓與溫差成正比[4]。

（5）單片機處理電路：心率傳感電路、血氧傳感電路和體溫傳感電路將接收的信號經(jīng)過運放的多級放大后，再將其傳送到單片機進行處理，然后由單片機對心率、血氧濃度和體溫進行運算，并用 LCD 對其進行實時更新，從而完成從采集數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)顯示的全過程。

（6）顯示電路：顯示電路采用的是LCD1602，LCD1602 中的16 代表每行可顯示16 個字符，02 代表總共可顯示2 行字符[5]，且系統(tǒng)軟硬件設(shè)計簡單方便，穩(wěn)定可靠，通過3 個控制引腳 RS R/W E 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，體溫及血氧。

2 共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置的建模

本文所設(shè)計的共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置采用AT89C51 單片機作為控制電路的核心器件。AT89C51 單片機是 ATMEL 公司出品的一款與MCS51 兼容的單片機，提供4 kB 的Flash 存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個可編程I/O 線，2 個 16 位定時器，一個中斷系統(tǒng)，一個串行通信口，片內(nèi)震蕩器和時鐘電路[6～7]。控制系統(tǒng)主要是采用 AT89C51單片機為開發(fā)平臺和 Keil 軟件編寫后編譯成的“.hex”文件源程序搭配組成的，寫進單片機并且選用 12 MHz 的晶振器，用電源模塊給監(jiān)測裝置供電即可。

本設(shè)計通過Proteus 軟件對心率數(shù)據(jù)、血氧數(shù)據(jù)和體溫數(shù)據(jù)進行仿真，顯示在LCD 屏上。共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置仿真模型如圖2 所示。

圖2 共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置仿真系統(tǒng)模型

本文所設(shè)計的共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置的仿真調(diào)節(jié)參數(shù)范圍除正常狀況數(shù)據(jù)外，還對不紊的心率、略低的血氧飽和度和失常的體溫的數(shù)據(jù)進行了閾值的設(shè)置，并可以對此進行報警。

設(shè)置的心率上限值是180 次/分，心率下限值是50 次/分，血氧下限值是95%，體溫上限值是37.3℃，體溫下限值是36.0℃。如需更改閾值，可以通過加或減按鈕來調(diào)節(jié)。

3 裝置的仿真分析

在安靜的環(huán)境中，健康的成年人的心跳次數(shù)通常在75次左右。在正常情況下，每分鐘的頻率在60～100 次之間。心率可因年齡、性別及其他因素的變化而變化，比如體溫每升高1℃，心率可加快12～20 次/分鐘，女性心率比男性心率稍快，運動員心率較慢[8]。血氧的正常范圍通常是在95%～100%之間，如果血氧濃度過低可能會對身體造成嚴重的損傷。人體的體溫會隨著日間和夜間的變化而發(fā)生周期性的變化，通常在清晨2～6 時會出現(xiàn)最低點，下午13～18 會出現(xiàn)最高點，但這種變化的幅度通常不會超過1℃。只要體溫不超過37.3℃，就算正常[9]。實時的數(shù)據(jù)通過LCD 顯示屏顯示。

心率是用單片機外部中斷0 獲取脈沖信號次數(shù)，再根據(jù)定時器中斷計時計算心率的。SW-ROT-3 是三刀開關(guān)。用SW-ROT-3 控制3 個波形發(fā)生器模擬DCLOCK 產(chǎn)生三種不同的心率，SW1(1)模擬顯示的心率是59 次/分，SW1(2)模擬顯示的心率是88 次/分，SW1(3)模擬顯示的心率是117 次/分。由于計時器設(shè)置的頻率分別為1Hz、1.5Hz、2Hz，所以理論值為60 次、90 次和120 次，三個顯示值與理論值稍有誤差。心率顯示為59 次/分時的工作狀態(tài)如圖3 所示。

圖3 心率顯示為59 次/分時的工作狀態(tài)

此部分顯示寫入單片機的程序為：

血氧濃度用電位器模擬模擬量輸入，ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行A/D 轉(zhuǎn)換，根據(jù)AD 值計算濃度。美國國家半導(dǎo)體公司推出的ADC0832 擁有8 位分辨率和雙通道A/D 轉(zhuǎn)換功能。由于其小巧，可靠性，價格比高而受到了單片微型計算機愛好者和公司青睞，現(xiàn)已具有很大的普及率。血氧濃度仿真為100%時工作狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 血氧濃度仿真為100%時工作狀態(tài)

此部分顯示寫入單片機的程序為：

體溫是用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器獲取的。供電電壓的范圍在3.0V～5.5V 之間，可通過編程設(shè)定其分辨率為9～12 位，也可根據(jù)用戶的需求設(shè)置溫度上下限報警值，具有體積小、精度高、功耗低、抗干擾能力強等特點。其測溫范圍為-55℃～+125℃，被廣泛用于工業(yè)恒溫控制、民用消費電子產(chǎn)品如溫度計或任何熱敏感系統(tǒng)等領(lǐng)域[10]。體溫仿真為37.5℃時工作狀態(tài)如圖5 所示，此時蜂鳴器報警。

圖5 體溫仿真為37.5℃時工作狀態(tài)

此部分顯示寫入單片機的程序為：

4 結(jié)論

本文設(shè)計了共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置，該裝置采用AT89C51 單片機為開發(fā)平臺，通過對單片機接口和程序編寫的深入研究，對基于波形發(fā)生器模擬DCLOCK 的心率傳感電路、基于ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的血氧傳感電路和基于DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的體溫傳感電路進行了仿真。對于心率傳感電路而言，利用單片機外部中斷0 獲取脈沖信號次數(shù)，再根據(jù)定時器中斷。血氧傳感電路根據(jù)AD 值計算濃度。體溫是通過DS18B20 數(shù)字溫度傳感器獲取的。本文對心率進行仿真模擬的59 次/分、88 次/分、117 次/分，對血氧濃度進行仿真模擬的100%、98%以及對體溫進行仿真模擬的36.5℃均為合理數(shù)據(jù)，不對此進行報警。而對體溫進行仿真模擬的37.5℃為超出上限閾值的數(shù)據(jù)，蜂鳴器對此進行報警。本文所設(shè)計的共享健身倉太陽能運動監(jiān)測裝置可以對正常數(shù)據(jù)進行實時采集與監(jiān)測，也可以設(shè)置閾值，對異常數(shù)據(jù)進行報警，可有效預(yù)防運動過程中的心率異常、血氧濃度過低和體溫異常等情況。