基于C8051F330便携式生理参数监测仪设计

     随着人们生活水平的提高， 越来越多的人希望通过简便的方式了解身体基本状况。因此人体生理监护仪开始出现并呈不断增多的趋势， 已经由过去的单一测试仪发展为现在的多参数监护仪。

　　在实际生活中， 生理参数监测仪多是基于PC 机平台的多参数测量、价格昂贵、体积庞大、不便于移动。现在多数生理参数监测仪无法准确的实时测量人体运动时的生理参数， 导致有些人特别是老年人运动强度过大， 对身体造成较大伤害。而教练员因无法准确掌握运动员运动时生理参数变化， 而不能 因材施教!， 有针对性的制定训练方案， 所以运动员训练方式都是大众化训练。综上所述， 开发一种体积小、价格低， 基于嵌入式系统的便携式生理参数监测仪就具有重要的意义。

　　1  系统方案

　　本系统采用C8051F330 作为该系统的单片机。系统整体硬件电路包括电源电路， 脉搏传感器电路，温度传感器电路， 计步电路， 声光报警电路和LED数码管显示电路等， 如图1所示。

图1  系统总体方案

　　脉搏传感器采用HK- 2000A， 辅以电平拉高电路使输出脉搏信号满足单片机I/O口的输入高低电平要求，计数通过单片机外部中断0。温度传感器采用DS18B20，传感器使用VCC供电。计步模块使用HA35DE， 传感器采用VCC供电， 步伐计数通过单片机外部中断1， 路程、卡路里等计算通过公式换算。LED数码管采用4位共阴极连体数码管， 数码管驱动芯片采用周立功公司的ZLG7289B; 系统电源采用单电源3.3 V。

　　2  系统的硬件设计

　　2.1  脉搏与温度测量电路设计

　　本系统采用压力型集成脉搏传感器HK - 2000测量人体脉搏， 直接将脉搏信号转换成数字型脉冲信号输出， 其硬件电路如图2 ( a)所示。脉搏传感器输出的脉冲信号高电平为VCC = - 1.5 V， 不足以使单片机识别为逻辑高电平， 采用分压式电压提升电路， 产生单片机可识别到脉冲信号。

　　本系统采用DS18B20 数字型温度传感器， 测量结果输出为2 Byte 数字信号， 测量分辨率为0.1 °C 。温度测量硬件电路如图2 ( b ) 所示。

　　DS18B20采用VCC = 3.3 V 供电， 使I /O 线上不需要加强上拉， 在转换期间能允许在单线总线上进行其他数据交换。

图2  脉搏测量电路与测温电路

　　2.2  计步测量电路设计

　　本系统采用非电量电测法来实现检测步数， 当人行走时， 脚、腿、腰部、手臂会产生相应的加速度。

　　通过脚的加速度对步数的检测最准确， 本设计要求携带方便， 故选择利用腰部运动来检测步数。人体运动示意如图3所示， 行走过程中， 通过腰部上下的垂直运动， 选取每次迈步时的加速度， 利用对加速度的峰值检测得到行走的步数。

　　本系统采用3D加速度传感器为核心来感应人体运动， 采用HA35DE 计步模块测量人体运动步数，计步测量的电路如图4 所示。HA35DE 采用VCC =3.3 V供电， 2脚计步信号输出为单步脉冲信号， 连接到单片机外部中断口。

图3  人体运动示意图

图4  计步测量电路

　　3  系统软件设计

　　3.1  总体软件结构

　　本系统采用C8051F020单片机进行处理分析， 设置相应的生理参数阈值并对采集信号进行实时显示，还可对超标信号报警， 系统的软件总体流程图如图5所示。

图5  系统总体软件流图

　　3.2  脉搏与计步测量软件设计

　　脉搏计数通过单片机外部中断0来实现， 外部中断口0工作方式为上升沿触发方式。当单片机检测到有效脉冲时， 计数器加1， 到达测量时间时， 判断脉搏数是否超过阈值， 并判断是否进行报警。其软件流程图如图6所示。

　图6  脉搏测量流程图

　　步伐计数通过单片机外部中断1实现， 外部中断口1工作方式为上升沿触发方式， 当单片机检测到有效脉冲时， 计数器加1。本系统的计步功能块可实现运动步数测量， 运动距离测量， 运动消耗的能量计算， 通过按键切换实现。计步测量流程图如图7所示。

图7  计步测量流程图

　　4  结束语

　　本系统所设计的便携式生理参数监测仪能检测人的体表温度、脉搏、运动步数、消耗能量等参数， 具有实时测量及显示的功能， 可将测得的数据与设定的阈值进行比较， 当超过阈值时就进行声光报警提醒。本设计轻便小巧， 适合居家、锻炼等使用。