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便攜式人體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀 設(shè)計(jì)方案
隨著人們保健意識(shí)的增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)鍛煉越來越受到重視。然而運(yùn)動(dòng)量過強(qiáng)或不足都不能達(dá)到的目的，甚至?xí)：ι眢w，因此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，控制運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。便攜式人體運(yùn)動(dòng)生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀通過連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏、體溫和行走距離 等，從而預(yù)測(cè)能量消耗。 1.系統(tǒng)概述 基本功能
1）基本測(cè)量對(duì)象：加速度、脈搏、體溫
2）計(jì)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(chǔ)（4M以上）
4）鋰電池供電，連續(xù)工作1個(gè)月以上
5）上位機(jī)數(shù)據(jù)處理與曲線顯示、數(shù)據(jù)庫管理
6）提醒與報(bào)警功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘、預(yù)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(nèi)集成有5通道16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換模塊、32kB的FLASH ROM和8kB的數(shù)據(jù)RAM，且2個(gè)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)及各種生理信號(hào)的采集、接收和處理。提升了系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性和集成度，能有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的按鍵控制，進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能啟動(dòng)，部分參數(shù)則由USB通過上位機(jī)設(shè)置，通過圖形點(diǎn)陣液晶實(shí)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(jī)交互界面。 3）采用溫度傳感器測(cè)量體表溫度，其傳感器設(shè)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(hào)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，將其接觸體表檢測(cè)體表的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行前置放大、數(shù)據(jù)采集、濾波和信號(hào)處理，提取脈搏信號(hào)和運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)一步進(jìn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不同幅度的電壓信號(hào)，通過測(cè)量加速度來反映人體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和頻率，計(jì)算運(yùn)動(dòng)能耗來評(píng)估運(yùn)動(dòng)量。 3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由便攜式單元和上位機(jī)組成，便攜式單元為獨(dú)立單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、本地顯示，而上位機(jī)則通過USB接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理，并可查看相關(guān)曲線，或進(jìn)行進(jìn)一步的分析和參數(shù)提取。4.傳感器與關(guān)鍵器件的選擇 1）三維加速度傳感器
型號(hào)： MMA7600FC
特點(diǎn)：I2C接口、測(cè)量范圍、2.4-3.6V供電
2）溫度傳感器：
型號(hào) 18B20
特點(diǎn)：SPI單數(shù)據(jù)線操作
3）腕部脈搏傳感器
型號(hào)：SC0073
特點(diǎn)：
4）控制器
型號(hào)：TMS430F4270
5）FLASH存儲(chǔ)器
型號(hào)：M25P80
特點(diǎn)：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(hào)：DXD12864-3433
特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)ST7565R，3.3V工作，串口操作
7）USB接口
型號(hào)：CP2102
特點(diǎn)：
8）電源系統(tǒng)
型號(hào)：LM117
作用：將電池電壓轉(zhuǎn)換為所需的3.3V，考慮數(shù)字電源、模擬電源分開。
附詳細(xì)電路原理圖。
5.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件分為上位機(jī)和下位機(jī)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(jìn)行數(shù)學(xué)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì)、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(guān)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 |
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因此：溫度 file:///Z:\TEMP\msohtmlclip1\01\clip_image012.gif
2）脈搏信號(hào)處理
由于脈搏信號(hào)信噪比比較低，在采集過程中混入了肌電信號(hào)、工頻干擾、基線漂移等噪聲信號(hào)，對(duì)脈搏信號(hào)特征提取容易造成誤判，需要進(jìn)行去噪處理。
目前，脈搏信號(hào)分析方法有：時(shí)域分析法（分析波幅的高度和脈動(dòng)時(shí)相關(guān)系）、頻率分析法（觀察信號(hào)的幅度、相位隨頻率變化的規(guī)律，找出信號(hào)在時(shí)域不太明顯而在頻率中比較明顯的特征）、結(jié)合時(shí)域、頻率的時(shí)頻分析法、以及模糊識(shí)別法、速率圖識(shí)別法、自回歸法、統(tǒng)計(jì)分析法等。
本系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)際采集的信號(hào)具體情形，比較時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析方法，對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)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(duì)病態(tài)的早搏等進(jìn)行識(shí)別，并提供參考，并友好提示運(yùn)動(dòng)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(jìn)制數(shù)值的關(guān)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° | 。。。
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并可通過數(shù)據(jù)獲得運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
4）能量消耗估算
能耗估算采用三個(gè)軸向的三維加速度傳感器，記錄每分鐘的動(dòng)作次數(shù)，即運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，由于運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于脂肪和糖類的供能比率起著至關(guān)重要的關(guān)系，是科學(xué)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵要素。
能耗計(jì)算是根據(jù)動(dòng)作的變化進(jìn)行計(jì)算的，因此，需要計(jì)步功能、以及識(shí)別活動(dòng)的動(dòng)作，根據(jù)動(dòng)作的變化改變計(jì)算模型，從而大大地提高了計(jì)算精度。 同時(shí)，結(jié)合國(guó)家體育總局科研所體育系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室推出的IEC個(gè)性化能耗模型，該模型不僅僅考慮了人體的個(gè)性化參數(shù)，比如身高、體重、性別、年齡等因素，還考慮了運(yùn)動(dòng)量、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)節(jié)奏等因素，甚至包含了個(gè)人運(yùn)動(dòng)功能對(duì)能耗的影響。
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便攜式人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)說明-11-24.doc
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2017-11-2 19:16 上傳
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