基于IAP15單片機的智能穿戴設備設計

張磊 張旭君

摘要：在社會日益發展的今天，在以滿足物質需求的前提下，越來越多的人開始關注自己和家人的健康問題。雖然科技日益進步，但是對上班族來說，久坐以及長時間的腦力勞動會造成一定的身體問題，如肥胖癥、高血壓、失眠等等。為了更好地記錄和查看人體的健康水平，提醒人們生理參數值變化，幫助人們養成良好的健康習慣，本項目基于了IAPl5F2K61S2型號的單片機，利用了血氧與心率檢測原理、計步算法、遠程監控技術，設計了一款可穿戴智能設備，既能記錄使用者步行運動情況、消耗卡路里，又能檢測出當前血氧、心率數值，同時可以將信息數值發送到其他指定成員的終端設備上。

關鍵詞：單片機;計步器;血氧;心率;智能穿戴設備

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0205-02

1計步器的設計

1.1設計任務與思路

電子的計數器與具有振動效果的傳感器組成了計步器，通過分析人們走路時狀態的變化，發現重心隨著步伐上下變化，尤其是腰部區域幅度最大。對于計步器，振動傳感器最為重要，起到監控和采集數據的作用。在傳感器捕獲行走步數、使用者步伐后，通過算法分析得到行走的總長度以及消耗能量值大小，方便于起到檢測運動程度的作用。

計步器是包含復位與振蕩電路、傳感器模塊、按鍵部分和數碼管顯示部分等等幾個方面。其中，復位部分用來讓IAPl5單片機恢復至最初的水平，并且開始重新工作;振蕩電路部分則為IAPl5提供了一個來自外部的時鐘信號;數碼管顯示部分用來顯示人行走的步數，并且被單片機所控制;按鍵模塊部分提供了按鍵控制使得IAPl5部分功能手動實現;傳感器是檢測隨步伐變化而產生的人體振動，若當監控到出現振動，那么傳感器將返回一個低電平，通知單片機進行步數的采集。整體結構設計圖如圖1所示。

1.2硬件的設計

（1）復位電路

復位電路是用來進行上電復位的，當釋放了按鍵時，電路給電容進行充電直到其飽和，此時可以將電容看成是斷路，由于有電阻，RST將會連接到地，即表現出低電平。當按鍵被按下，通過電阻，RST將會連接到VCC，即呈現高電平。當按鍵釋放后，電容將會變成充電狀態并且持續一段時間的高電位狀態，這即為復位系統。該部分的硬件電路圖如圖2所示。

（2）振蕩電路

IAPl5F內部存在著振蕩電路，它主要是反向的放大器組成，這個部分的電路是用以確保單片機能夠穩定工作的。當振蕩器出現不規律的運行狀態時，系統將會在執行程序階段產生一定的時間差異。特別是處于高頻階段下，如果單片機內部的時鐘不夠準確，外部的振蕩電路部分的存在，在時鐘電路中將電容用來阻止干擾，將會讓晶振的頻率變得平穩精確。該部分的硬件電路圖如圖3所示。

（3）傳感器模塊部分

振動傳感器會在有檢測出機械振動的信號的狀態下，配合整個閉環電路，使得機械性的振動信號轉換并輸出為電信號。

該傳感器部分的使用特點如下：

①具有對各類型的振動產生觸發的作用，如電子積木、智能車、報警等;

②當模塊捕獲小的振動時會具有短促的觸發間隔，無法使繼電器被喚醒;

③當沒有出現振動時，電路開關是斷開的，此時將會輸出邏輯“1”，即為高電平，指示燈就不會被點亮;

④當有振動發生時，開關立即閉合，將會輸出邏輯“0”，即為低電平，指示燈就會被點亮;

⑤為了監視是否發生了振動現象，可以將輸出端同IAPl5F直接連接，在分析輸出的電平的高低狀態后實現報警的功能。

（4）其他電路部分

為了更方便使用者觀察數據，需要設計由4位的LED共陽極數碼管組成的屏幕，使用八段的數碼管且每段都具有發光二極管，對共陽極的數碼管來說，將陽極共接到單片機的VCC端，通過輸入的代碼進行數碼管的位選和段選，從而顯示不同的數字段。

與此同時，設計一個按鍵電路實現手動控制功能，當不同的按鍵被使用者按下時，步數可以被存儲、被清零，使用者可以瀏覽到存儲的歷史記錄以及查閱下一項記錄等等。

2血氧與心率檢測的設計

2.1血氧飽和度檢測的原理

血氧飽和度的檢測原理既有分光光度的測定，又有對血容積的描述。為了能讓光電探測器分辨出具有各種波長的光，需要調節LED進行關閉與打開的不斷切換。通過使用940nm波長的紅外光以及660nm波長的紅光來進行分光光度檢測。分析對660nm波長的紅光來說，氧合血紅蛋白（HbO21會有比較少量的吸收效果，但對940nm波長的紅外光來說，會吸收相對較多。這個結論與血紅蛋白（Hb）恰好相反。因此，當分析紅外光與紅光的吸收程度的比值時，可以得到血氧的飽和水平。

在設計該血氧飽和度檢測系統時，先給探頭的左側分別安裝上可以發出紅光的發光管以及可以發出紅外光的發光管，同時為了將捕獲的手指中動脈血管的紅外以及紅光變換成為電信號，將探頭右側安裝上光電檢測器。已知了紅光與紅外光在人體各組成部分中吸收程度的定值（包括脂肪、骨頭、靜脈血、肌肉、皮膚等等各個部分），當氧合血紅蛋白和血紅蛋白在動脈血中的濃度受到動脈周期改變時，轉換后的電信號也會有所周期性變化。分析這些變化的電信號就能檢測到血氧飽和度并且通過算法分析脈率。

除此之外，血液發生的搏動也會直接影響血氧飽和度。當有光源照射到外周組織，檢測該光束的強弱水平會與心臟跳動的周期相互關聯。當心臟收縮狀態下，外周血的容量會十分得多，此時光的吸收量也會十分得多，但是可以捕獲到的光能量卻很小，而正好和心臟舒張狀態下的結果相反。光的吸收量改變很大程度上意味著血容量改變，因此，光能的大小才能被搏動的血容量所改變。

其中，血氧飽和度方程式為：

但由于外界環境中的光線會對檢測信號有所干擾，需要除去透射光中的干擾部分。當兩種波長的透射光作用于人體各部位以后，因為氧合血紅蛋白（Hb02）與血紅蛋白（Hb）在吸收水平方面是存在了差異的，可以找到吸收量與人體組織f如血液、骨骼、膚色等等）之間的函數關系。而吸收又包含了搏動與非搏動兩種吸收，轉換為電信號時，閉合回路中的交流部分可以看出是由搏動的動脈血產生，而直流是固定吸收并且是非搏動的靜脈血、動脈血以及人體組織產生。

2.2血氧監視的有限性

血氧飽和度的監視部分是為了檢測氧合血紅蛋白（HbO2）和去氧血紅蛋白（Hb）的數值變化，但并沒有針對一些具有血紅蛋白病變的患者，比如存在高鐵血紅蛋白和碳氧血紅蛋白。盡管氧合型和碳氧型是具有相似的吸收紅光水平的血紅蛋白，但是后者所顯示出來的血氧飽和度會比正常情況下高，此時只有分析動脈血才可以得出準確數值。同時，當檢測病人時，一些躁動行為也會影響SPO2的檢測，而且當病人出現血液循環不通暢、休克等等生理病癥時，會由于低動脈血流而導致監測結果的不準確。除此之外，當血氧檢測探頭被外界自然光強烈照射時，也會使得接收到的光電信號與準確值有較大差異。

3總結

在設計完計步器以及血氧與心率檢測部分以后，使用藍牙與WIFI技術，將由IAPl5F2K61s2單片機所主要控制的穿戴設備與手機終端進行通信。整體智能可穿戴設備實現了測量運動程度、換算運動所消耗的卡路里、檢測人體心率血氧、上傳健康數據至手機終端等等功能。同時設置了按鍵可手動控制、查看、上傳并保存數據，也設置了液晶顯示屏方便使用者直觀獲取數據。本文所討論設計的智能可穿戴設備利用了血氧與心率檢測原理、計步算法、遠程監控技術，包含光電式脈搏傳感器模塊、振動傳感器模塊、復位振蕩電路、按鍵模塊、數碼管顯示模塊等等，實現了上述各項功能，具有綜合性、先進性以及一定的市場價值。