一種太陽能充電智能心率監(jiān)測(cè)騎行儀

周榮鉆 譚福明 孫曉娜 吳思平 付書媛

摘? 要：本設(shè)計(jì)為一款用于騎行的智能輔助裝備，可增加騎行者在騎行過程中的樂趣以及提高騎行者的騎行體驗(yàn)，達(dá)到人機(jī)交流，互通的目的。該系統(tǒng)核心為STC89C52單片機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)，多功能相結(jié)合。集速度，里程測(cè)量，時(shí)間顯示，心率監(jiān)測(cè)，夜間照明和太陽能充電于一體，當(dāng)騎行者身體超負(fù)荷時(shí)，儀器會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒騎行者注意休息。

關(guān)鍵詞：心率監(jiān)測(cè);STC89C52單片機(jī);太陽能;騎行監(jiān)測(cè);心率監(jiān)測(cè)

引言

自行車作為曾經(jīng)的一種重要的交通工具，如今在人類社會(huì)中更多的是扮演著一種幫助健身的器材，目前騎行作為一項(xiàng)重要的健身方式，在當(dāng)今信息大爆炸的時(shí)代，不能僅局限于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單騎行，騎行裝備應(yīng)具備一定的信息可視化能力，能夠?yàn)轵T行者減輕騎行負(fù)擔(dān)和潛在風(fēng)險(xiǎn)，增加騎行樂趣。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)的思路，把系統(tǒng)相關(guān)的各部分獨(dú)立出來，各項(xiàng)硬件以STC89C52單片機(jī)為核心，主要包括液晶顯示模塊（liquid crystal display，LCD），多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，太陽能電池板，鋰電池，高亮燈，蜂鳴報(bào)警器。數(shù)據(jù)采集傳感器包括霍爾傳感器，光敏電阻，光電傳感器。各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器收集，由STC89C52單片機(jī)處理后將騎行速度，里程，騎行者心率數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。使騎行者能便捷的在一塊屏幕上獲得其所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便對(duì)自己的騎行質(zhì)量和狀態(tài)做一個(gè)比較全面的自我評(píng)估。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1速度模塊

對(duì)于騎行過程中速度的測(cè)量，由靠固定在車輪輻條上和前叉上的磁鐵感應(yīng)頭感應(yīng)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和便攜性等方面的要求，本儀器使用的是A3144E霍爾電壓型傳感器，在騎行過程中，車輪輻條上的磁鐵，感應(yīng)在自行車前叉上的對(duì)應(yīng)的霍爾元件，當(dāng)磁鐵和霍爾原件重合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)磁場(chǎng)，此時(shí)霍爾元件會(huì)有電流流出，以此來計(jì)算車輪單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)的圈數(shù)，再由先前通過測(cè)量得到的車輪周長(zhǎng)，通過按鍵設(shè)置輸入到系統(tǒng)中，就可以算出當(dāng)前騎行者的行駛速度。

2.2心率

設(shè)計(jì)采用光電傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。其工作原理是利用光電傳感器對(duì)紅外光線的透射和反射強(qiáng)度的不同來反應(yīng)騎行者心率的變化。心率監(jiān)測(cè)模塊由光發(fā)射器，低通濾波器和光接收器組成。由于進(jìn)入到皮膚組織的綠光（500nm）大部分會(huì)被紅細(xì)胞吸收，所以光發(fā)射器采用綠光發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）。騎行者將心率傳感器戴在手腕上，當(dāng)每一次心臟收縮進(jìn)行跳動(dòng)時(shí)，會(huì)改變血管里的血流量，進(jìn)而引起血液飽和度的變化，此時(shí)由儀器發(fā)出的綠光也會(huì)被改變反射強(qiáng)度，其強(qiáng)度與心臟跳動(dòng)的頻率相對(duì)應(yīng)。利用低通濾波器過濾高頻信號(hào)，然后再通過放大電路進(jìn)行放大，使得放大后的信號(hào)能有效的被單片機(jī)識(shí)別。若此時(shí)監(jiān)測(cè)到的心率大于騎行者設(shè)置的初始值，蜂鳴器將發(fā)出警報(bào)，提醒騎行者注意休息。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1速度計(jì)算方法

測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度方法很多根據(jù)統(tǒng)計(jì)的脈沖數(shù)目來進(jìn)行測(cè)速，其方法主要有M方法（測(cè)頻法），T方法（測(cè)量周期法）和MPT方法（頻率周期法）這三種方法。本系統(tǒng)采用M方法（測(cè)頻法）。因?yàn)樵谛羞M(jìn)過程中，車輪每轉(zhuǎn)一圈，車輪輻條上的永磁體就會(huì)和固定在自行車前插臂上的磁鐵感應(yīng)頭感應(yīng)，霍爾傳感器會(huì)輸出與車輪轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號(hào)。設(shè)V為自行車在行進(jìn)過程中的車速;T為車輪在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù);M為車輪外壁的周長(zhǎng)，則脈沖信號(hào)周期數(shù)與電機(jī)的速度關(guān)系如下：

V=T×M

3.2心率計(jì)算方法

原理：心臟收縮泵血一次所產(chǎn)生脈搏的時(shí)間為t（秒），心率為n（次/每分鐘），則n=60/t，為了更精確的計(jì)算以及減小誤差，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)M次的脈搏所用時(shí)間為T，則n=60M/T。利用STC89C52定時(shí)計(jì)數(shù)器每10ms中斷一次，對(duì)中斷后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算n。

4總結(jié)與展望

在現(xiàn)如今全民健身的背景下，人們?cè)絹碓阶⒅厣眢w健康。而作為有氧健身運(yùn)動(dòng)的主要方式之一的騎行，是一項(xiàng)非常適合大眾化的鍛煉項(xiàng)目。本文所設(shè)計(jì)出的這款太陽能充電智能心率檢測(cè)騎行儀，在騎行運(yùn)動(dòng)中做到實(shí)時(shí)檢測(cè)心率，能有效的反饋出用戶的健康狀況，遇到突發(fā)狀況能及時(shí)發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，這款產(chǎn)品配有太陽能充電功能，可以使用太陽能為控制系統(tǒng)供電，不僅可以使騎行儀大大增加續(xù)航能力，同時(shí)在一定程度上減少能源的消耗，符合當(dāng)今的可持續(xù)發(fā)展觀。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于智能騎行裝備的需求會(huì)越來越高，騎行運(yùn)動(dòng)的智能輔助系統(tǒng)在未來會(huì)具有更廣闊的市場(chǎng)。

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基金項(xiàng)目：廣西大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目太陽能充電智能心率監(jiān)測(cè)騎行儀（項(xiàng)目編號(hào)：202110595286）項(xiàng)目成果