東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 黃俊業(yè) 張志堅 史順元 梁 杰 柯子俊 陳平平

人體力量與體征測量裝置

東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院 黃俊業(yè) 張志堅 史順元 梁 杰 柯子俊 陳平平

本文提出一種通過測量人體不同部位的肌肉群力量、心率和生物電阻等參數(shù)來反映不同人體特性的裝置。該裝置以STM32為控制核心，運用電阻應(yīng)變片配合特殊設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)進行力量測量，采用MAX30100和AD5933進行心率和生物電阻監(jiān)測。通過不同用戶的測試表明，該裝置可以有效地測量人體表征的不同參數(shù)。

力量；體征；心率；生物電阻

0 引言

隨著國人生活水平的日益提高，工具的日益便利，由于運動不足，長期久坐引發(fā)的健康問題，肌肉力量弱化問題，日益嚴(yán)重[1-3]。人體的任何活動離不開肌肉的收縮力量，它維持著人體的基礎(chǔ)生活能力，喪失肌肉活動力量的人，生活將無法自理。

因而本文提出，一種測量三組肌肉群力量與人體體征檢測的一體化電子設(shè)備，可為相關(guān)數(shù)據(jù)采集與研究提供初步的實現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

人體力量與體征測量裝置主要由STM32主控制器、三組測力模塊、生物電阻測量模塊、心率監(jiān)測模塊、電源管理所組成。主控制器控制用戶測量流程，發(fā)送測量命令，使各模塊開啟特定的測量。

圖1 測力與測體征裝置系統(tǒng)框圖

測力模塊是基于電組應(yīng)變片的形變測量原理，用戶在特定位置發(fā)力，使得機械結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變，電阻應(yīng)變片感受微小形變，產(chǎn)生特定電信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換和算法換算后，即可獲知用戶的發(fā)力水平。心率模塊是基于MAX30100芯片，該芯片發(fā)出紅光并檢測反射信號，根據(jù)信號隨時間的變化實現(xiàn)心率測量。生物電阻模塊是基于AD5933芯片，連接用戶雙手并發(fā)送特定頻率的電信號，測得用戶左手通過身體到右手的生物電阻。

主控采用ST公司所推的STM32F407VET6，該芯片內(nèi)核為Cortex?-M4，最高主頻可達168MHz，同時集成了新的DSP和FPU指令，并具有多重AHB總線矩陣和多通道DMA：支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)并行處理，傳輸速度快，該芯片性能足以勝任底層傳感器處理任務(wù)。主控制器通過FSMC接口控制TFTLCD的顯示，將測得的數(shù)據(jù)以字符串形式發(fā)送回顯示器，顯示器實時通過動態(tài)圖顯示數(shù)據(jù)變化。

2 力量測量

2.1 電阻應(yīng)變片

將工程構(gòu)件上的尺寸變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片中敏感柵的電阻變化的變換器。

國家標(biāo)準(zhǔn)中電阻應(yīng)變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000Ω，目前傳感器生產(chǎn)中大多選用350Ω的應(yīng)變片[4-5]。普通人的發(fā)力水平一般以Kg為單位，350Ω電阻足以制作精度在0.1Kg的測力機械單元。所選電阻應(yīng)變片型號為：BFH305-3AA。

現(xiàn)行制度的固定資產(chǎn)以原值在資產(chǎn)負債表列示，新制度要求固定資產(chǎn)以原值減累計折舊后的凈值列示。這就是說累計折舊的數(shù)額大小將直接影響到學(xué)校的資產(chǎn)總額，進而影響到籌資的重要數(shù)據(jù)——資產(chǎn)負債率。高校的資產(chǎn)將會因累計折舊的計提而大大縮水，很多有巨額貸款的高校將面臨著貸款到期因資產(chǎn)負債率過高而無法續(xù)貸。

2.2 測力結(jié)構(gòu)原理

以金屬彈性體變形原理和電阻應(yīng)變片的應(yīng)變原理為基礎(chǔ)，即在外加力的作用下，偵測電阻應(yīng)變片隨金屬彈性體一起形變而改變電阻值后產(chǎn)生的信號變化。

由于形變量極微小，同時為了測更大的力而盡量降低塑性型變的可能，選擇加工性能好，韌性高的304不銹鋼作為電阻應(yīng)變片的彈性金屬體。同時，304不銹鋼適合作為外部框架的搭建。

2.3 AD轉(zhuǎn)換芯片HX711

一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，具有集成度高，響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。HX711的通道A模擬差分輸入可直接與橋式傳感器的差分輸出相接，下位機直接通過讀取HX711引腳信號獲得惠斯通電橋的差分輸入。設(shè)計中選擇可編程增益大的通道A，增益選128，對應(yīng)的滿量程差分輸入電壓為±20mV。

HX711通過兩線串行接口與STM32主控制通信，時鐘線控制數(shù)據(jù)線傳值，時鐘線控制信號主控制器采集信號的時間點。

2.4 測力公式

表1

此處采用施加一組特定力后，獲得數(shù)據(jù)采樣點，進行曲線繪制再擬合趨勢線，得出趨勢線公式，再應(yīng)用于STM32主控制器的計算中。

使用專業(yè)的數(shù)顯測力計，對測力處分別施加5N、10N、15N、25N、40N、65N、105N的力，采集經(jīng)HX711處理后的原始數(shù)據(jù)，并對采樣點進行數(shù)據(jù)擬合，繪制趨勢線。

圖2 測力采集的原始數(shù)據(jù)的趨勢線擬合圖

趨勢線公式為：

Y=(A–958.57)/16006 （單位：N）

將公式應(yīng)用于STM32的處理算法中。

3 人體體征測量

3.1 心率測量

心率測量選擇了一款集監(jiān)測血氧飽和度和脈搏波速率于一體的傳感器MAX30100。它包含兩個發(fā)光二極管，一個光檢測器。擁有光學(xué)優(yōu)化和低噪聲的模擬信號處理能力。MAX30100采用IIC通信協(xié)議，通過配置其中斷寄存器、模式寄存器來控制其工作狀態(tài)。

設(shè)置MAX30100工作在SPO2模式，AD轉(zhuǎn)換精度為14位，對應(yīng)的最大采樣速度為400sample/s，設(shè)置紅外和紅光的LED典型電流為14.2mA。MAX30100工作在SPO2狀態(tài)時，一個樣本由4個字節(jié)組成，包含紅光檢測值與紅外光檢測值，從FIFO寄存器中讀取。

人體血流反射紅外光。人體食指遍布毛細血管，當(dāng)血液流過時，會使紅外光反射值增大。記錄反射的紅外光值隨時間推移的變化，即可檢測脈搏波的變化情況。通過檢測脈搏波中極其陡峭的上升沿之間的時間間隔，即可推算用戶心率大小。

3.2 生物電阻測量

選擇了一款專門進行阻抗測量的芯片－－AD5933，這是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，片上集成頻率發(fā)生器與12位、1MSPS的數(shù)模轉(zhuǎn)換器[6]。AD5933通過IIC協(xié)議與STM32進行通信。其進行生物電阻測量的功能原理是：頻率發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率的來激勵外部阻抗。激勵的得到的響應(yīng)信號被ADC采樣，ADC的輸出會送到片內(nèi)DFT模塊進行數(shù)字處理，經(jīng)離散傅里葉變換后輸出其實部與虛部。

4 裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

力量可視化與生理體征測量一體化裝置，如以上三維設(shè)計圖所示，底部長為1m，寬為0.72m，裝置整體高度為1.8m。該尺寸的度定，是與用戶的身高和體寬作測量和參照的，當(dāng)用戶站在上面的測量的時候能夠給予他們一種寬敞自如的感覺。裝置整體較為寬大，機電部分采用扁平化的設(shè)計，背板厚度僅為12cm，讓裝置外觀達到一種視覺均衡效果。裝置在比較多的過渡處均使用圓角設(shè)計，在視覺上讓這臺金屬裝置顯得較為圓潤，讓用戶感到舒適。

該裝置的最大特點是：簡潔。機電部分在裝置內(nèi)部排布緊湊，在外部僅有一些測力裝置，視覺方面簡潔而大方。

圖3 裝置機械結(jié)構(gòu)圖

5 測試與總結(jié)

通過對男女共四位不同用戶進行測量，驗證該系統(tǒng)整合了測力與測生物體征的電子傳感器，同時結(jié)合機械上的設(shè)計實現(xiàn)了功能的完整。理論上能實現(xiàn)多組肌肉群力量與生物體征的測量，進行相關(guān)性分析（見表1）。

[1]周思紅,張亞軍,岳文雨,王艷春．運動對老年人最大肌肉力量的影響特征研究[J]．南京體育學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,04:26-30．

[2]齊玉剛,劉政宇,譚思潔．20～69歲人群肌肉耐力變化規(guī)律的試驗研究[J]．天津體育學(xué)院學(xué)報,2016,01:69-72．

[3]赫曉慈,李國欣,高亞暄,武衛(wèi)東,路玲,寧文杰,田素齋．基于自我效能理論增強養(yǎng)老機構(gòu)老年人下肢肌肉力量的干預(yù)研究[J]．中國護理管理,2016,01:125-128．

[4]康魯杰,楊繼紅．電阻應(yīng)變片的選用[J]．衡器,2004,06:9-10．

[5]桑震揚．高精度電阻應(yīng)變式測力傳感器的彈性體設(shè)計[J]．電子測試,2016,15:19-20．

[6]李靜,陳世利,靳世久．基于AD5933的阻抗分析儀的設(shè)計和實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代科學(xué)儀器,2009,02:28-30+56．

Body Strength and signs detection device

Huang Junye，Zhang Zhijian，Shi Shunyuan，Liang Jie，Ke Zijun，Chen Pingping
（School of electronic engineering and intelligent engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan，Guangdong，523808）

A device which can refect physical signs was presented，by measuring the strength of muscle，monitoring heart rate and biological electrical，etc.This device used STM32 as core control，using resistance strain gage and setting a special mechanical structure for strength measuring，using MAX30100 and AD5933 for heart rate and biological electrical monitoring.Accordingto the tests by different users，this device can effectively measure different parameters of human body.

strength；signs；heart rate；bioelectrical resistance

黃俊業(yè)（1996—），男，廣東云浮人，大學(xué)本科在讀，研究方向：電子信息工程。

廣東省科技計劃項目（2016B090918131，2015A020214024）。

張志堅（1982—），男，廣東河源人，碩士，高級實驗師，主要從事嵌入式、電子測控方面的研究。