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便攜式人體運(yùn)動生理參數(shù)監(jiān)測儀 設(shè)計方案
隨著人們保健意識的增強(qiáng)，運(yùn)動鍛煉越來越受到重視。然而運(yùn)動量過強(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)時檢測運(yùn)動參數(shù)，控制運(yùn)動強(qiáng)度。便攜式人體運(yùn)動生理參數(shù)監(jiān)測儀通過連續(xù)實(shí)時監(jiān)測脈搏、體溫和行走距離 等，從而預(yù)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(jī)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(shí)時時鐘、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(jìn)性、可靠性和集成度，能有效降低系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行簡單的功能啟動，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和運(yùn)動信號，將其接觸體表檢測體表的振動信號，進(jìn)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(yùn)動信息，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)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不同幅度的電壓信號，通過測量加速度來反映人體運(yùn)動的強(qiáng)度和頻率，計算運(yùn)動能耗來評估運(yùn)動量。 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： MMA7600FC
特點(diǎn)：I2C接口、測量范圍、2.4-3.6V供電
2）溫度傳感器：
型號 18B20
特點(diǎn)：SPI單數(shù)據(jù)線操作
3）腕部脈搏傳感器
型號：SC0073
特點(diǎn)：
4）控制器
型號：TMS430F4270
5）FLASH存儲器
型號：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：DXD12864-3433
特點(diǎn)：驅(qū)動ST7565R，3.3V工作，串口操作
7）USB接口
型號：CP2102
特點(diǎn)：
8）電源系統(tǒng)
型號：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 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(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(jìn)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(guān)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(jié)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(shí)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(jìn)行分析，提取脈象中的有用信息，如脈搏頻率的大小、變化，特別是對病態(tài)的早搏等進(jìn)行識別，并提供參考，并友好提示運(yùn)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(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(yùn)動強(qiáng)度，由于運(yùn)動強(qiáng)度對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)動的關(guān)鍵要素。
能耗計算是根據(jù)動作的變化進(jìn)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(jié)合國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(yùn)動量、運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動節(jié)奏等因素，甚至包含了個人運(yùn)動功能對能耗的影響。
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便攜式人體生理參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計說明-11-24.doc
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2017-11-2 19:16 上傳
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