基于心率測量原理的便攜式運動負荷檢測儀設計

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單片機設計了一種手持式便攜設備，采用心率傳感器，基于心率測量原理實現人體運動后心率的測量，然后通過運動負荷轉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明顯下滑，除了繁重的學業因素外，越來越多的學生把時間花費在了電腦等電子產品上，導致身體素質下降；我國教育部曾提出“每天運動1小時，健康工作50年”的口號，倡導全民運動，增強全民體質。基于以上背景，我們研制便攜式運動負荷檢測儀，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 硬件系統設計

人體負荷檢測儀的硬件結構圖如圖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、數據存儲模塊、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

在本系統中MSP430單片機系統是整個系統的核心控制部分，其能耗也是整個系統中最大的。系統選用了MSP430F149型16位單片機。MSP430系列單片機是TI公司設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備的開發[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。數據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置。電源管理模塊保證系統不斷電并實現對鋰電池的充電。

2 心率傳感器的選型

本產品采用的心率傳感器為合肥華科電子研究所生產的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、信號調理電路集成在傳感器內。靈敏度高；抗干擾性能強；過載能力強；一致性好；性能穩定可靠；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；該產品用于脈率檢測，如運動、健身設備中的心率測試[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=運動結束1分鐘后測得6秒的心率×10；運動后心臟恢復率＝（運動心率－1分鐘后心率）/10。除需要運動前后心率數據外，還需要使用兩個非常重要的參數，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。這兩個參數是通過配置的用戶參數計算而得。運動負荷的計算規則如下表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 系統軟件結構

本畢業設計內容主要以MSP430F149單片機作為主控芯片，結合HK2000A心率傳感器作為采集器件，讀取用戶運動后的心率情況，再通過數據處理等程序，最終反映出用戶的運動效果。

軟件使用兩層設計結構，底層為硬件驅動層，上層為圖形用戶界面（菜單系統）。硬件驅動層主要實現對外部設備的讀寫操作，提供外圍芯片的當前數據與狀態；圖形用戶界面用以實現與使用者交互，實現狀態顯示、菜單選擇、參數設置等功能，與硬件無關，具有很好的可移植性能。

硬件驅動部分主要完成對硬件的操作，主要包括：設備驅動與初始化程序；GPIO讀寫；蜂鳴器控制；LED控制；液晶顯示器操作；按鍵讀取；心率讀取；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上實現了簡單的菜單顯示功能。在實現菜單功能的過程中，使用了鏈表作為數據結構，具有易擴展、易于修改的特點。我們先在51單片機上開發該菜單系統，之后成功移植到了MSP430系統上，進一步證明該菜單系統具有良好的可移植性。系統軟件結構如下圖所示：

圖5 軟件結構圖

根據硬件設計，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：當給設備上電后，首先進行設備初始化，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；根據相應操作，顯示不同的菜單序列，提供對應的信息設置和數據顯示界面等，然后根據不同按鍵調用相應的應用程序，提供對應的處理功能。系統軟件結構流程圖如下所示：

圖6 軟件流程圖

5 結束語

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

[1]秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京：電子工業出版社，2006

[2]趙德安等.單片機原理與應用(第二版) [M].北京：機械工業出版社，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.全國大學生電子設計競賽教程——基于TI器件設計方法[M].北京：電子工業出版社，2007

[5]洪利，章揚，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解[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計與仿真平[J].傳感技術學報，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。