一種嵌入式智能健康運動監測儀的設計

摘 要 提出了一種基于嵌入式智能健康運動監測儀的設計方案。這款監測儀基于健康數字心率傳感器、紅外傳感器、GPS模塊、低耗CPU、液晶顯示屏和其他外圍電路組成。CPU通過I2C總線分別讀取APDS_9008接收到的脈搏信號、MLX90615采集的紅外輻射信號和GPS模塊獲得時間、速度、海拔、經緯度數據，將其轉換為對應的人體脈搏值、溫度值和人所在的位置、時間、速度、海拔并顯示在液晶屏上，實驗表明，智能健康監測分析儀準確實現了各種數據的準確性、快速測量。

【關鍵詞】脈搏率 紅外體溫計 GPS導航

目前市場上流行與健康相關的可穿戴式產品繁多，為用戶有效提供科學的運動方式和健康診斷，特別是戶外拓展，比如登山、滑雪、野外旅游探險等活動，需要對戶外運動者的信息定位和狀態監測，提供一個隨身配帶的“健康顧問”。為此，我們開發設計了一種基于嵌入式智能健康運動監測分析儀。

1 系統整體方案

為快捷有效的對戶外運動者提供有效的健康狀態分析，系統主要采用利用主控CPU STC12EL5624AD，通過I2C總線分別讀取APDS_9008接收到的脈搏信號、MLX90615采集的紅外輻射信號和GPS模塊獲得時間、速度、海拔、經緯度數據，將其轉換為對應的人體脈搏值、溫度值和人所在的位置、時間、速度、海拔并顯示在液晶屏上，能夠快速有效的實現對戶外運動者的信息定位和狀態監測等系統功能。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片選擇

設計采用基于STC的8位微控制器STC12EL5624AD作為主控芯片。該控制器具有高速可靠、資源豐富、低功耗、寬溫度范圍等優點，廣泛應用于電機控制、醫療保健 、手持設備等場合。STC12EL5624AD具有20K的片內Flash程序存儲器、27個通用I/O引腳、8路10位AD轉換器、4個通用定時器等外設資源和USART、I2C、SPI等通信接口，能夠滿足健康運動分析儀的設計要求，該設計中微控制器STC12EL5624AD主要完成判斷按鍵輸入、心率傳感器、紅外傳感器、GPS模塊信號的采集與處理、驅動液晶屏顯示。硬件設計方框圖如圖1所示。

2.2 傳感器部分

2.2.1 心率傳感器

該心率傳感器主要通過ADC單元來采樣傳感器輸出的脈搏模擬信號，采樣率為500Hz，AD精度一般選擇10位精度。心率傳感器程序的主要設計思路是脈沖傳感器根據返回的光強，輸出脈搏的電壓波形曲線。同時計算相鄰兩個脈搏波的峰值點的時間差并濾波，得到兩次心跳之間的時間（IBI數值），由此就可以算出BPM的數值。

2.2.2 紅外傳感器

設計中采用數字紅外傳感器MLX90615ESC-DAA，主要是由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模數轉換器和功能強大的DSP單元等組成，紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射轉化為電信號，并經過低噪聲放大器放大后送給模數轉換器。模數轉換器輸出的數字信號經FIR/IIR低通濾波器調理后送入數字信號處理器，數字信號處理器對數字信號運算處理后輸出測量結果并保存在MLX90615內部RAM中，可以通過SM-Bus或PWM方式供主控CPU單元讀取。

MLX90615具有寬溫度范圍的高精度、高分辨率、發射率可調節SMBus兼容的數字接口等優點，而作為醫用的MLX90615ESC-DAA在36～39℃的人體溫度范圍內的精確度達到了±0.1℃。MLX90615泛應用于高精度非接觸溫度測量、 家用溫度控制、衛生保健、多重溫度區域控制等領域。

2.3 OLED顯示部分電路設計

該設計顯示部分采用基于SH1106液晶芯片的通用1.3寸OLED字符型液晶屏，它是指顯示的內容為8×16 ，即可以顯示八行，每行16個字符和數字的液晶模塊。液晶顯示屏具有功耗低、體積小、內置字符發生器、易匹配處理器、抗震性好、具有較寬的視角、OLED的工作溫度范圍比較廣等優點。該顯示屏是5V 以下低電壓直流驅動的，也可以用電池點亮，具有高亮度的特點，可達300 流明以上，能夠滿足基本的戶外使用。其系統電路圖如圖2所示。

2.4 GPS導航模塊

系統采用u-blox 6無鉛芯片載體（LCC）模塊是獨立的高性能的GPS定位引擎。該模塊是由射頻和基帶部分這兩個功能部件組成。射頻前端包括輸入匹配元素，看到帶通濾波器，u-blox 6 RF-IC（集成放大器），頻率源；基帶部分包含u-blox 6基帶處理器，如RTC水晶和額外的元素可選的閃存的增強的可編程性和靈活性。

2.5 其他外圍電路

其他外圍電路部分主要包括按鍵模塊、充電模塊、電量檢測模塊等部分。按鍵主要產生中斷信號。其他其他外圍電路圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

軟件設計采用模塊化程序設計，主要包括：初始化模塊、按鍵檢測模塊、心率模塊、紅外溫度檢測模塊、液晶顯示模塊和GPS導航模塊等，其程序流程如x下：初始化模塊主要完成復位、通用I/O中斷、定時器、I2C、時鐘、AD轉換器、液晶等初始化設置。按鍵檢測模塊主要是檢測按鍵是否按下，判斷是否是啟動各個功能，從而觸發外部中斷并執行各個功能。其系統軟件設計流程圖如圖4 所示。

4 測試總結

系統設計一種嵌入式的智能健康分析監測儀，能夠使擁有者對自身的身體狀況有一個詳細清楚的認識，而不是憑借的模糊判斷來了解自身的身體狀況。利用健康數字心率傳感器，可以準確地測量出使用者的心率。同時這款智能健康監測分析儀還可以獲得時間、速度、海拔、經緯度等數據，將其轉換為對應的人體脈搏值、溫度值和人所在的位置、時間、速度、海拔并顯示在液晶屏上。如果使用者的身體不適時，可以運用GPS的導航定位技術，在緊急狀況時第一時間發出救援信號，所以這是一款能給用戶的健康運動帶來最大用處的電子設備。通過系統戶外整體測試，該智能健康分析儀工作穩定、可靠，且操作簡單、使用便捷，體積小，方便攜帶，適用性廣，具有一定的應用推廣價值。

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作者簡介

孫紅軍（1980-），男，廣東省江門市人。碩士學位。講師。研究方向為嵌入式產品開發。

羅耀祖（1988-）男，湖南省郴州市人。碩士學位。助教。研究方向為計算機應用技術。

作者單位

江門職業技術學院 廣東省江門市 529090endprint