共享健身倉太陽能運動監測裝置的設計

彭梓路，王麗，武云同，閻駿，杜文輝，侯世龍，許鈞然

（天津農學院 工程技術學院，天津，300392）

0 引言

隨著現代人們生活品質的提高，大家對身體健康的關注度越來越高。共享健身倉分布在社區、街道和公園里，同時按小時收費，方便了大眾并減輕了支出負擔。不同于傳統健身房需要大量人員的管理和運營模式，“共享健身倉”的管理更多是依靠網絡和智能化設備，運營上免去大部分的人員支出。與健身卡使用不方便的局限性相比，共享健身倉在社區內部裝配可滿足多數住戶的運動需要，增強大眾的身體素質，同時吸引年輕人的目光，增大當代青年的運動量。

本文設計的共享健身倉太陽能運動監測裝置采用太陽能供電，對能源進行了合理利用，符合綠色的生態底色。同時該設備智能化，為大眾提供了科學性的運動參考。可將運動數據上傳至云端平臺的功能，給大眾帶來了更多的生活便利，提高了生活的幸福感。該設備小巧，社區、公園、鄉村等地都易于投放。

1 共享健身倉太陽能運動監測裝置的設計

共享健身倉太陽能運動監測裝置結構如圖1 所示。

圖1 共享健身倉太陽能運動監測裝置結構

太陽能板連接太陽能充電電路，獲得穩定的電壓對蓄電池進行反復充電。心率傳感電路、血氧傳感電路和體溫傳感電路的信號傳遞給單片機，單片機將結果通過LCD 顯示。

（1）太陽能充電電路：太陽能電池板在使用過程中，由于太陽輻射的變化、溫度的高低等因素，輸出電壓不穩定，輸出電流小。當光照條件合適時，降壓型LM2575ADJ 轉換器將太陽能電池板電壓轉換為穩定的5V 電壓，并反復為鋰電池充電，節省能源。LM2575ADJ 芯片輸出的紋波電壓小，對輸出濾波電容的要求不高，故接入負載時影響較小 。電量儲存在鋰電池中，鋰電池可以拆除和更換，允許在陰雨的天氣中正常使用。

（2）心率傳感電路：心率傳感電路的設計，主要是對心跳信號進行采集和放大。一般地，心跳是一種非確定性的周期，且其頻率很低，很可能會引起噪聲。心跳檢測器所輸出的訊號為毫伏量級，必須經過訊號處理后才能被單片機辨識。心率傳感電路的主要器件是SON1303 傳感器，內置反射式光電傳感器，適合可以放在人的手指、手腕部位測試人體的脈搏[2]。該儀器使用了一種高度集成化的脈沖反射法中的脈搏計模件，實現了對人體心率的高靈敏檢測。

（3）血氧傳感電路：采用SI1143 芯片構建的血氧傳感器可以準確地監測血液中的氧氣濃度。該傳感器利用紅外接近感應—一種非接觸式手勢接近滾軸技術，配備1 個紅色發光二極管 (Light Emitting Diode,LED) 和2 個紅外線LED,可以感測和計算血氧飽和度 (Sp O2) 與心率。只要簡單地動作或者手勢，相應的裝置就能迅速監測到人體的接近[3]。

（4）體溫傳感電路：采用安費諾公司的熱電堆紅外溫度傳感器ZTP-135SR，可以有效地接收和傳輸被測目標發出的紅外輻射能量，并將其轉換成可靠的電信號，從而實現對目標體溫的實時監測。傳感器內部主要由熱敏電阻和熱電堆組成，熱敏電阻用于感知環境溫度，阻值隨著環境溫度的變化而變化，用作環境溫度補償；熱電堆感知被測目標溫度和環境溫度之間的溫度差，兩端的輸出電壓與溫差成正比[4]。

（5）單片機處理電路：心率傳感電路、血氧傳感電路和體溫傳感電路將接收的信號經過運放的多級放大后，再將其傳送到單片機進行處理，然后由單片機對心率、血氧濃度和體溫進行運算，并用 LCD 對其進行實時更新，從而完成從采集數據到數據顯示的全過程。

（6）顯示電路：顯示電路采用的是LCD1602，LCD1602 中的16 代表每行可顯示16 個字符，02 代表總共可顯示2 行字符[5]，且系統軟硬件設計簡單方便，穩定可靠，通過3 個控制引腳 RS R/W E 將單片機處理分析后的數據送到8 個數據引腳DB0-7，進而顯示出心率，體溫及血氧。

2 共享健身倉太陽能運動監測裝置的建模

本文所設計的共享健身倉太陽能運動監測裝置采用AT89C51 單片機作為控制電路的核心器件。AT89C51 單片機是 ATMEL 公司出品的一款與MCS51 兼容的單片機，提供4 kB 的Flash 存儲器，128 字節內部 RAM，32 個可編程I/O 線，2 個 16 位定時器，一個中斷系統，一個串行通信口，片內震蕩器和時鐘電路[6～7]。控制系統主要是采用 AT89C51單片機為開發平臺和 Keil 軟件編寫后編譯成的“.hex”文件源程序搭配組成的，寫進單片機并且選用 12 MHz 的晶振器，用電源模塊給監測裝置供電即可。

本設計通過Proteus 軟件對心率數據、血氧數據和體溫數據進行仿真，顯示在LCD 屏上。共享健身倉太陽能運動監測裝置仿真模型如圖2 所示。

圖2 共享健身倉太陽能運動監測裝置仿真系統模型

本文所設計的共享健身倉太陽能運動監測裝置的仿真調節參數范圍除正常狀況數據外，還對不紊的心率、略低的血氧飽和度和失常的體溫的數據進行了閾值的設置，并可以對此進行報警。

設置的心率上限值是180 次/分，心率下限值是50 次/分，血氧下限值是95%，體溫上限值是37.3℃，體溫下限值是36.0℃。如需更改閾值，可以通過加或減按鈕來調節。

3 裝置的仿真分析

在安靜的環境中，健康的成年人的心跳次數通常在75次左右。在正常情況下，每分鐘的頻率在60～100 次之間。心率可因年齡、性別及其他因素的變化而變化，比如體溫每升高1℃，心率可加快12～20 次/分鐘，女性心率比男性心率稍快，運動員心率較慢[8]。血氧的正常范圍通常是在95%～100%之間，如果血氧濃度過低可能會對身體造成嚴重的損傷。人體的體溫會隨著日間和夜間的變化而發生周期性的變化，通常在清晨2～6 時會出現最低點，下午13～18 會出現最高點，但這種變化的幅度通常不會超過1℃。只要體溫不超過37.3℃，就算正常[9]。實時的數據通過LCD 顯示屏顯示。

心率是用單片機外部中斷0 獲取脈沖信號次數，再根據定時器中斷計時計算心率的。SW-ROT-3 是三刀開關。用SW-ROT-3 控制3 個波形發生器模擬DCLOCK 產生三種不同的心率，SW1(1)模擬顯示的心率是59 次/分，SW1(2)模擬顯示的心率是88 次/分，SW1(3)模擬顯示的心率是117 次/分。由于計時器設置的頻率分別為1Hz、1.5Hz、2Hz，所以理論值為60 次、90 次和120 次，三個顯示值與理論值稍有誤差。心率顯示為59 次/分時的工作狀態如圖3 所示。

圖3 心率顯示為59 次/分時的工作狀態

此部分顯示寫入單片機的程序為：

血氧濃度用電位器模擬模擬量輸入，ADC0832 模數轉換器進行A/D 轉換，根據AD 值計算濃度。美國國家半導體公司推出的ADC0832 擁有8 位分辨率和雙通道A/D 轉換功能。由于其小巧，可靠性，價格比高而受到了單片微型計算機愛好者和公司青睞，現已具有很大的普及率。血氧濃度仿真為100%時工作狀態如圖4 所示。

圖4 血氧濃度仿真為100%時工作狀態

此部分顯示寫入單片機的程序為：

體溫是用DS18B20 數字溫度傳感器獲取的。供電電壓的范圍在3.0V～5.5V 之間，可通過編程設定其分辨率為9～12 位，也可根據用戶的需求設置溫度上下限報警值，具有體積小、精度高、功耗低、抗干擾能力強等特點。其測溫范圍為-55℃～+125℃，被廣泛用于工業恒溫控制、民用消費電子產品如溫度計或任何熱敏感系統等領域[10]。體溫仿真為37.5℃時工作狀態如圖5 所示，此時蜂鳴器報警。

圖5 體溫仿真為37.5℃時工作狀態

此部分顯示寫入單片機的程序為：

4 結論

本文設計了共享健身倉太陽能運動監測裝置，該裝置采用AT89C51 單片機為開發平臺，通過對單片機接口和程序編寫的深入研究，對基于波形發生器模擬DCLOCK 的心率傳感電路、基于ADC0832 模數轉換器的血氧傳感電路和基于DS18B20 數字溫度傳感器的體溫傳感電路進行了仿真。對于心率傳感電路而言，利用單片機外部中斷0 獲取脈沖信號次數，再根據定時器中斷。血氧傳感電路根據AD 值計算濃度。體溫是通過DS18B20 數字溫度傳感器獲取的。本文對心率進行仿真模擬的59 次/分、88 次/分、117 次/分，對血氧濃度進行仿真模擬的100%、98%以及對體溫進行仿真模擬的36.5℃均為合理數據，不對此進行報警。而對體溫進行仿真模擬的37.5℃為超出上限閾值的數據，蜂鳴器對此進行報警。本文所設計的共享健身倉太陽能運動監測裝置可以對正常數據進行實時采集與監測，也可以設置閾值，對異常數據進行報警，可有效預防運動過程中的心率異常、血氧濃度過低和體溫異常等情況。