共享健身仓太阳能运动监测装置的设计

彭梓路，王丽，武云同，阎骏，杜文辉，侯世龙，许钧然

（天津农学院 工程技术学院，天津，300392）

0 引言

随着现代人们生活品质的提高，大家对身体健康的关注度越来越高。共享健身仓分布在社区、街道和公园里，同时按小时收费，方便了大众并减轻了支出负担。不同于传统健身房需要大量人员的管理和运营模式，“共享健身仓”的管理更多是依靠网络和智能化设备，运营上免去大部分的人员支出。与健身卡使用不方便的局限性相比，共享健身仓在社区内部装配可满足多数住户的运动需要，增强大众的身体素质，同时吸引年轻人的目光，增大当代青年的运动量。

本文设计的共享健身仓太阳能运动监测装置采用太阳能供电，对能源进行了合理利用，符合绿色的生态底色。同时该设备智能化，为大众提供了科学性的运动参考。可将运动数据上传至云端平台的功能，给大众带来了更多的生活便利，提高了生活的幸福感。该设备小巧，社区、公园、乡村等地都易于投放。

1 共享健身仓太阳能运动监测装置的设计

共享健身仓太阳能运动监测装置结构如图1 所示。

图1 共享健身仓太阳能运动监测装置结构

太阳能板连接太阳能充电电路，获得稳定的电压对蓄电池进行反复充电。心率传感电路、血氧传感电路和体温传感电路的信号传递给单片机，单片机将结果通过LCD 显示。

（1）太阳能充电电路：太阳能电池板在使用过程中，由于太阳辐射的变化、温度的高低等因素，输出电压不稳定，输出电流小。当光照条件合适时，降压型LM2575ADJ 转换器将太阳能电池板电压转换为稳定的5V 电压，并反复为锂电池充电，节省能源。LM2575ADJ 芯片输出的纹波电压小，对输出滤波电容的要求不高，故接入负载时影响较小 。电量储存在锂电池中，锂电池可以拆除和更换，允许在阴雨的天气中正常使用。

（2）心率传感电路：心率传感电路的设计，主要是对心跳信号进行采集和放大。一般地，心跳是一种非确定性的周期，且其频率很低，很可能会引起噪声。心跳检测器所输出的讯号为毫伏量级，必须经过讯号处理后才能被单片机辨识。心率传感电路的主要器件是SON1303 传感器，内置反射式光电传感器，适合可以放在人的手指、手腕部位测试人体的脉搏[2]。该仪器使用了一种高度集成化的脉冲反射法中的脉搏计模件，实现了对人体心率的高灵敏检测。

（3）血氧传感电路：采用SI1143 芯片构建的血氧传感器可以准确地监测血液中的氧气浓度。该传感器利用红外接近感应—一种非接触式手势接近滚轴技术，配备1 个红色发光二极管 (Light Emitting Diode,LED) 和2 个红外线LED,可以感测和计算血氧饱和度 (Sp O2) 与心率。只要简单地动作或者手势，相应的装置就能迅速监测到人体的接近[3]。

（4）体温传感电路：采用安费诺公司的热电堆红外温度传感器ZTP-135SR，可以有效地接收和传输被测目标发出的红外辐射能量，并将其转换成可靠的电信号，从而实现对目标体温的实时监测。传感器内部主要由热敏电阻和热电堆组成，热敏电阻用于感知环境温度，阻值随着环境温度的变化而变化，用作环境温度补偿；热电堆感知被测目标温度和环境温度之间的温度差，两端的输出电压与温差成正比[4]。

（5）单片机处理电路：心率传感电路、血氧传感电路和体温传感电路将接收的信号经过运放的多级放大后，再将其传送到单片机进行处理，然后由单片机对心率、血氧浓度和体温进行运算，并用 LCD 对其进行实时更新，从而完成从采集数据到数据显示的全过程。

（6）显示电路：显示电路采用的是LCD1602，LCD1602 中的16 代表每行可显示16 个字符，02 代表总共可显示2 行字符[5]，且系统软硬件设计简单方便，稳定可靠，通过3 个控制引脚 RS R/W E 将单片机处理分析后的数据送到8 个数据引脚DB0-7，进而显示出心率，体温及血氧。

2 共享健身仓太阳能运动监测装置的建模

本文所设计的共享健身仓太阳能运动监测装置采用AT89C51 单片机作为控制电路的核心器件。AT89C51 单片机是 ATMEL 公司出品的一款与MCS51 兼容的单片机，提供4 kB 的Flash 存储器，128 字节内部 RAM，32 个可编程I/O 线，2 个 16 位定时器，一个中断系统，一个串行通信口，片内震荡器和时钟电路[6～7]。控制系统主要是采用 AT89C51单片机为开发平台和 Keil 软件编写后编译成的“.hex”文件源程序搭配组成的，写进单片机并且选用 12 MHz 的晶振器，用电源模块给监测装置供电即可。

本设计通过Proteus 软件对心率数据、血氧数据和体温数据进行仿真，显示在LCD 屏上。共享健身仓太阳能运动监测装置仿真模型如图2 所示。

图2 共享健身仓太阳能运动监测装置仿真系统模型

本文所设计的共享健身仓太阳能运动监测装置的仿真调节参数范围除正常状况数据外，还对不紊的心率、略低的血氧饱和度和失常的体温的数据进行了阈值的设置，并可以对此进行报警。

设置的心率上限值是180 次/分，心率下限值是50 次/分，血氧下限值是95%，体温上限值是37.3℃，体温下限值是36.0℃。如需更改阈值，可以通过加或减按钮来调节。

3 装置的仿真分析

在安静的环境中，健康的成年人的心跳次数通常在75次左右。在正常情况下，每分钟的频率在60～100 次之间。心率可因年龄、性别及其他因素的变化而变化，比如体温每升高1℃，心率可加快12～20 次/分钟，女性心率比男性心率稍快，运动员心率较慢[8]。血氧的正常范围通常是在95%～100%之间，如果血氧浓度过低可能会对身体造成严重的损伤。人体的体温会随着日间和夜间的变化而发生周期性的变化，通常在清晨2～6 时会出现最低点，下午13～18 会出现最高点，但这种变化的幅度通常不会超过1℃。只要体温不超过37.3℃，就算正常[9]。实时的数据通过LCD 显示屏显示。

心率是用单片机外部中断0 获取脉冲信号次数，再根据定时器中断计时计算心率的。SW-ROT-3 是三刀开关。用SW-ROT-3 控制3 个波形发生器模拟DCLOCK 产生三种不同的心率，SW1(1)模拟显示的心率是59 次/分，SW1(2)模拟显示的心率是88 次/分，SW1(3)模拟显示的心率是117 次/分。由于计时器设置的频率分别为1Hz、1.5Hz、2Hz，所以理论值为60 次、90 次和120 次，三个显示值与理论值稍有误差。心率显示为59 次/分时的工作状态如图3 所示。

图3 心率显示为59 次/分时的工作状态

此部分显示写入单片机的程序为：

血氧浓度用电位器模拟模拟量输入，ADC0832 模数转换器进行A/D 转换，根据AD 值计算浓度。美国国家半导体公司推出的ADC0832 拥有8 位分辨率和双通道A/D 转换功能。由于其小巧，可靠性，价格比高而受到了单片微型计算机爱好者和公司青睐，现已具有很大的普及率。血氧浓度仿真为100%时工作状态如图4 所示。

图4 血氧浓度仿真为100%时工作状态

此部分显示写入单片机的程序为：

体温是用DS18B20 数字温度传感器获取的。供电电压的范围在3.0V～5.5V 之间，可通过编程设定其分辨率为9～12 位，也可根据用户的需求设置温度上下限报警值，具有体积小、精度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。其测温范围为-55℃～+125℃，被广泛用于工业恒温控制、民用消费电子产品如温度计或任何热敏感系统等领域[10]。体温仿真为37.5℃时工作状态如图5 所示，此时蜂鸣器报警。

图5 体温仿真为37.5℃时工作状态

此部分显示写入单片机的程序为：

4 结论

本文设计了共享健身仓太阳能运动监测装置，该装置采用AT89C51 单片机为开发平台，通过对单片机接口和程序编写的深入研究，对基于波形发生器模拟DCLOCK 的心率传感电路、基于ADC0832 模数转换器的血氧传感电路和基于DS18B20 数字温度传感器的体温传感电路进行了仿真。对于心率传感电路而言，利用单片机外部中断0 获取脉冲信号次数，再根据定时器中断。血氧传感电路根据AD 值计算浓度。体温是通过DS18B20 数字温度传感器获取的。本文对心率进行仿真模拟的59 次/分、88 次/分、117 次/分，对血氧浓度进行仿真模拟的100%、98%以及对体温进行仿真模拟的36.5℃均为合理数据，不对此进行报警。而对体温进行仿真模拟的37.5℃为超出上限阈值的数据，蜂鸣器对此进行报警。本文所设计的共享健身仓太阳能运动监测装置可以对正常数据进行实时采集与监测，也可以设置阈值，对异常数据进行报警，可有效预防运动过程中的心率异常、血氧浓度过低和体温异常等情况。