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        基于心率測量原理的便攜式運動負荷檢測儀設(shè)計

        2012-10-27 02:40:16周琪盛黨紅李海燕戴曉天周兵
        中國科技信息 2012年10期
        關(guān)鍵詞:檢測儀菜單心率

        周琪 盛黨紅 李海燕 戴曉天 周兵

        南京工程學院,南京 21117

        基于心率測量原理的便攜式運動負荷檢測儀設(shè)計

        周琪 盛黨紅 李海燕 戴曉天 周兵

        南京工程學院,南京 21117

        本文基于MSP430單片機設(shè)計了一種手持式便攜設(shè)備,采用心率傳感器,基于心率測量原理實現(xiàn)人體運動后心率的測量,然后通過運動負荷轉(zhuǎn)換算法計算出用戶運動效果。

        心率傳感器;MSP430;運動負荷檢測;便攜設(shè)備

        Heart rate sensor; MSP430; Exercise stess testing; Portable devices

        引言

        近幾年,我國在校生的身體素質(zhì)明顯下滑,除了繁重的學業(yè)因素外,越來越多的學生把時間花費在了電腦等電子產(chǎn)品上,導(dǎo)致身體素質(zhì)下降;我國教育部曾提出“每天運動1小時,健康工作50年”的口號,倡導(dǎo)全民運動,增強全民體質(zhì)?;谝陨媳尘埃覀冄兄票銛y式運動負荷檢測儀,不僅能增加用戶運動的趣味性和熱情,同時方便體育老師的日常教學考核工作,有較高的實用價值。

        1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

        人體負荷檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,該儀器以MSP430為主控制器,外圍模塊主要由傳感器模塊、人機交互模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、USB通訊模塊、電源管理模塊等部分組成。其中,USB通訊模塊實現(xiàn)與上位機通訊,電源管理模塊由鋰電池供電[1-3]。

        圖1 人體負荷檢測儀

        在本系統(tǒng)中MSP430單片機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心控制部分,其能耗也是整個系統(tǒng)中最大的。系統(tǒng)選用了MSP430F149型16位單片機。MSP430系列單片機是TI公司設(shè)計的一款在低功耗方面具有鮮明特色的單片機,它的突出特點就是低電源電壓和靈活的時鐘源,可以使器件達到極低的功率消耗,可由多種電池供電,非常適用于手持式設(shè)備的開發(fā)[4-5]。傳感器模塊包括脈搏傳感器和加速度傳感器,用于檢測人的心跳及運動加速度。數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲檢測到的人體負荷信息。USB通信模塊用于上位機與單片機的通信,人機交互模塊用于用戶獲取自身運動信息并進行功能設(shè)置。電源管理模塊保證系統(tǒng)不斷電并實現(xiàn)對鋰電池的充電。

        2 心率傳感器的選型

        本產(chǎn)品采用的心率傳感器為合肥華科電子研究所生產(chǎn)的HK-2000A傳感器,如圖2所示。該型號采用高度集成化工藝的力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。靈敏度高;抗干擾性能強;過載能力強;一致性好;性能穩(wěn)定可靠;使用壽命長。模擬輸出,輸出同步于脈搏波動的脈沖信號,測試波形如圖3所示;該產(chǎn)品用于脈率檢測,如運動、健身設(shè)備中的心率測試[6]。固定方法如圖4所示。

        圖2 HK2000A型壓電式心率傳感器

        圖3 正常情況下脈搏波形

        圖4 脈搏傳感器固定方法

        3 運動負荷的計算

        運動負荷評估體系中,運動心率=運動后即刻測得的6秒心率×10;1分鐘后心率=運動結(jié)束1分鐘后測得6秒的心率×10;運動后心臟恢復(fù)率=(運動心率-1分鐘后心率)/10。除需要運動前后心率數(shù)據(jù)外,還需要使用兩個非常重要的參數(shù),即靶心率和最大心率。其中靶心率范圍為最大心率×(60%~85%),最大心率=220-用戶年齡。這兩個參數(shù)是通過配置的用戶參數(shù)計算而得。運動負荷的計算規(guī)則如下表1和表2:

        表1 有效鍛煉評價標準

        表2 用戶心臟功能評價與運動負荷指標

        4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

        本畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容主要以MSP430F149單片機作為主控芯片,結(jié)合HK2000A心率傳感器作為采集器件,讀取用戶運動后的心率情況,再通過數(shù)據(jù)處理等程序,最終反映出用戶的運動效果。

        軟件使用兩層設(shè)計結(jié)構(gòu),底層為硬件驅(qū)動層,上層為圖形用戶界面(菜單系統(tǒng))。硬件驅(qū)動層主要實現(xiàn)對外部設(shè)備的讀寫操作,提供外圍芯片的當前數(shù)據(jù)與狀態(tài);圖形用戶界面用以實現(xiàn)與使用者交互,實現(xiàn)狀態(tài)顯示、菜單選擇、參數(shù)設(shè)置等功能,與硬件無關(guān),具有很好的可移植性能。

        硬件驅(qū)動部分主要完成對硬件的操作,主要包括:設(shè)備驅(qū)動與初始化程序;GPIO讀寫;蜂鳴器控制;LED控制;液晶顯示器操作;按鍵讀取;心率讀??;EEPROM操作;溫度讀寫;DS1302時鐘讀寫。

        圖形界面層主要是在硬件層的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了簡單的菜單顯示功能。在實現(xiàn)菜單功能的過程中,使用了鏈表作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),具有易擴展、易于修改的特點。我們先在51單片機上開發(fā)該菜單系統(tǒng),之后成功移植到了MSP430系統(tǒng)上,進一步證明該菜單系統(tǒng)具有良好的可移植性。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示:

        圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖

        根據(jù)硬件設(shè)計,采用五個按鍵進行菜單操作,選擇處理一系列問題,主要步驟為:當給設(shè)備上電后,首先進行設(shè)備初始化,顯示屏上顯示主頁界面和一些基本信息(比如時間、日期等),然后等待接收用戶的鍵入;根據(jù)相應(yīng)操作,顯示不同的菜單序列,提供對應(yīng)的信息設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示界面等,然后根據(jù)不同按鍵調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用程序,提供對應(yīng)的處理功能。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)流程圖如下所示:

        圖6 軟件流程圖

        5 結(jié)束語

        基于心率測量原理的人體負荷檢測儀,能夠激發(fā)用戶的運動熱情和積極性。通過對該產(chǎn)品的外觀、性能、功能等方面進一步優(yōu)化,產(chǎn)品穩(wěn)定性將大大提高,對于提高人體運動素質(zhì)起到促進作用。

        [1]秦龍.MSP430單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006

        [2]趙德安等.單片機原理與應(yīng)用(第二版) [M].北京:機械工業(yè)出版社,2010

        [3]張福才,張銳,汝洪芳.MSP430單片機自學筆記[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011

        [4]黃根春,周立青,張望先.全國大學生電子設(shè)計競賽教程——基于TI器件設(shè)計方法[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007

        [5]洪利,章?lián)P,李世寶.MSP430單片機原理與應(yīng)用實例詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010

        [6]楊紅紅,毛堯輝,高滿屯,苑偉政.一種MEMS胎兒心率測量儀的設(shè)計與仿真平[J].傳感技術(shù)學報,2008,17(4):116-118.

        A hand-helpd ortablee quipmeins t designebd ased on MSP430 microcontrolltehr, e measuremeonf t heart rate after exercisei s achievedb y the use of heart rate sensorst, he effect of use r movemeinst calculatebd y exercisel oad conversion algorithm.

        10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.101

        周琪(1990-),男,南京工程學院自動化學院學生。

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