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標題: 便攜式人體生理參數(shù)監(jiān)測儀設計說明 [打印本頁]

作者: 2991486739@qq.c 時間: 2017-11-2 19:16
標題: 便攜式人體生理參數(shù)監(jiān)測儀設計說明

便攜式人體運動生理參數(shù)監(jiān)測儀

設計方案

隨著人們保健意識的增強，運動鍛煉越來越受到重視。然而運動量過強或不足都不能達到的目的，甚至會危害身體，因此需要實時檢測運動參數(shù)，控制運動強度。便攜式人體運動生理參數(shù)監(jiān)測儀通過連續(xù)實時監(jiān)測脈搏、體溫和行走距離等，從而預測能量消耗。

1.系統(tǒng)概述

基本功能
1）基本測量對象：加速度、脈搏、體溫
2）計算參數(shù)：步行數(shù)（或里程數(shù)）、能量消耗
3）本地液晶顯示和數(shù)據(jù)存儲（4M以上）
4）鋰電池供電，連續(xù)工作1個月以上
5）上位機數(shù)據(jù)處理與曲線顯示、數(shù)據(jù)庫管理
6）提醒與報警功能，實時時鐘、預置參數(shù)等
7）USB接口。

2.系統(tǒng)原理

1）控制器單元：中央控制單元采用了具有超低功耗的16位微控制器MSP430F4270，其片內集成有5通道16位Σ-ΔA/D轉換模塊、32kB的FLASH ROM和8kB的數(shù)據(jù)RAM，且2個串行通信。采用F4270作為本系統(tǒng)的中央控制單元，可以在無需片外A/D芯片的基礎上實現(xiàn)運動信號及各種生理信號的采集、接收和處理。提升了系統(tǒng)的先進性、可靠性和集成度，能有效降低系統(tǒng)設計的難度，較大程度提升系統(tǒng)的整體性能。

2）采用LCD顯示，留有簡單的按鍵控制，進行簡單的功能啟動，部分參數(shù)則由USB通過上位機設置，通過圖形點陣液晶實現(xiàn)漢字功能菜單顯示、生理參數(shù)的數(shù)值顯示，為系統(tǒng)提供友好和智能化的人機交互界面。

3）采用溫度傳感器測量體表溫度，其傳感器設置在儀表背面，可直接與人體皮膚接觸。

4）采用腕部脈搏傳感器提取脈搏信號和運動信號，將其接觸體表檢測體表的振動信號，進行前置放大、數(shù)據(jù)采集、濾波和信號處理，提取脈搏信號和運動信息，進一步進行能量損耗估算。

5）采用三維加速度傳感器，將人體的各種運動狀態(tài)轉換為不同幅度的電壓信號，通過測量加速度來反映人體運動的強度和頻率，計算運動能耗來評估運動量。

3.系統(tǒng)結構

系統(tǒng)由便攜式單元和上位機組成，便攜式單元為獨立單元，負責數(shù)據(jù)采集、本地顯示，而上位機則通過USB接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理，并可查看相關曲線，或進行進一步的分析和參數(shù)提取。

4.傳感器與關鍵器件的選擇

1）三維加速度傳感器
型號： MMA7600FC
特點：I2C接口、測量范圍、2.4-3.6V供電
2）溫度傳感器：
型號 18B20
特點：SPI單數(shù)據(jù)線操作
3）腕部脈搏傳感器
型號：SC0073
特點：

4）控制器
型號：TMS430F4270
5）FLASH存儲器
型號：M25P80
特點：8Mbit,SPI接口，3.3V工作

Page Program (up to 256 bytes) 0.64ms

Sector Erase (512 Kbit) in 0.6s (typical)

Bulk Erase (8 Mbit) in 8 s (typical)

6)顯示液晶

   型號：DXD12864-3433
   特點：驅動ST7565R，3.3V工作，串口操作
7）USB接口
   型號：CP2102
   特點：
8）電源系統(tǒng)
   型號：LM117
   作用：將電池電壓轉換為所需的3.3V，考慮數(shù)字電源、模擬電源分開。
附詳細電路原理圖。

5.軟件系統(tǒng)設計

軟件分為上位機和下位機兩部分，以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

6.算法研究

數(shù)據(jù)采集得到的溫度、脈搏和三位加速度，需要進行數(shù)學處理得到具體的溫度值、脈搏值和加速度值，并根據(jù)加速度值進行運動狀態(tài)的估計、步行數(shù)和能量消耗。
1）溫度數(shù)據(jù)處理
12位數(shù)據(jù)精度，分辨率為0.0625oC，溫度與數(shù)據(jù)關系如下表所示。

TEMPERATURE (°C)	DIGITAL OUTPUT
+125	0000 0111 1101 0000	07D0h
+85*	0000 0101 0101 0000	0550h
+25.0625	0000 0001 1001 0001	0191h
+10.125	0000 0000 1010 0010	00A2h
+0.5	0000 0000 0000 1000	0008h
0	0000 0000 0000 0000	0000h

因此：溫度 file:///Z:\TEMP\msohtmlclip1\01\clip_image012.gif

2）脈搏信號處理
由于脈搏信號信噪比比較低，在采集過程中混入了肌電信號、工頻干擾、基線漂移等噪聲信號，對脈搏信號特征提取容易造成誤判，需要進行去噪處理。
目前，脈搏信號分析方法有：時域分析法（分析波幅的高度和脈動時相關系）、頻率分析法（觀察信號的幅度、相位隨頻率變化的規(guī)律，找出信號在時域不太明顯而在頻率中比較明顯的特征）、結合時域、頻率的時頻分析法、以及模糊識別法、速率圖識別法、自回歸法、統(tǒng)計分析法等。
本系統(tǒng)將根據(jù)實際采集的信號具體情形，比較時域、頻域和時頻分析方法，對脈搏信號進行分析，提取脈象中的有用信息，如脈搏頻率的大小、變化，特別是對病態(tài)的早搏等進行識別，并提供參考，并友好提示運動量。

3）三維加速度數(shù)據(jù)處理
三維加速度傳感器為I2C接口，數(shù)字化加速度信息，其大小與二進制數(shù)值的關系如下表所示。

6 bit result	Binary	2's Comp	g value	Angle X or Y	Angle Z
0	0	0	0.000g	0.00°	90.00°
1	1	1	0.047g	2.69°	87.31°
2	10	2	0.094g	5.38°	84.62°
3	11	3	0.141g	8.08°	81.92°
4	100	4	0.188g	10.81°	79.19°
。。。

并可通過數(shù)據(jù)獲得運動狀態(tài)。

4）能量消耗估算
能耗估算采用三個軸向的三維加速度傳感器，記錄每分鐘的動作次數(shù)，即運動強度，由于運動強度對于脂肪和糖類的供能比率起著至關重要的關系，是科學運動的關鍵要素。

能耗計算是根據(jù)動作的變化進行計算的，因此，需要計步功能、以及識別活動的動作，根據(jù)動作的變化改變計算模型，從而大大地提高了計算精度。

同時，結合國家體育總局科研所體育系統(tǒng)仿真實驗室推出的IEC個性化能耗模型，該模型不僅僅考慮了人體的個性化參數(shù)，比如身高、體重、性別、年齡等因素，還考慮了運動量、運動強度和運動節(jié)奏等因素，甚至包含了個人運動功能對能耗的影響。

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作者: 19921261156 時間: 2019-10-18 14:34
作為菜鳥表示看不懂。。

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