阮承治，俞 晴，俞志強(qiáng)，許真華

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

目前隨著電子信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)健康的重視程度越來(lái)越高，特別是心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和步行的步數(shù)記錄。傳統(tǒng)的心率檢測(cè)方式是通過(guò)醫(yī)務(wù)工作者用聽(tīng)診器來(lái)獲取病人的心率，該設(shè)備需要醫(yī)務(wù)工作者與患者的配合，其缺點(diǎn)是攜帶不方便，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，已經(jīng)難以滿足人們對(duì)心率監(jiān)測(cè)的要求。目前已廣泛應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)手環(huán)等電子設(shè)備可實(shí)時(shí)對(duì)步數(shù)進(jìn)行記錄，但該設(shè)備往往缺乏心率數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，功能相對(duì)單調(diào)[1-2]。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易的可測(cè)心率與計(jì)步的電子裝置。

面對(duì)上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)中結(jié)合可測(cè)心率、可計(jì)步、可調(diào)節(jié)電子時(shí)鐘等功能，設(shè)計(jì)并制作一款采用單片機(jī)STC89C51為核心的電子設(shè)備[3]。該控制器主要有電子時(shí)鐘模塊、心率模塊[4]、計(jì)步模塊，系統(tǒng)界面采用LCD1602液晶顯示屏可將實(shí)時(shí)時(shí)間、當(dāng)前心率、當(dāng)前步數(shù)等信息通過(guò)按鍵切換，并通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)對(duì)本電子裝置的設(shè)計(jì)，能達(dá)到自行檢測(cè)心率，查詢時(shí)間，查看當(dāng)前步數(shù)的功能。

1 總體方案

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)為核心的控制模塊組成，由USB設(shè)備為單片機(jī)提供直流電源。本系統(tǒng)的主要作用為檢測(cè)心率和計(jì)步功能。單片機(jī)控制模塊由獨(dú)立按鍵，報(bào)警器，LCD1602顯示屏，心率，計(jì)步，電子時(shí)鐘等七個(gè)子模塊構(gòu)成[5]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the system

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是由單片機(jī)主控系統(tǒng)組成。單片機(jī)主控系統(tǒng)是由獨(dú)立按鍵，報(bào)警器，LCD1602顯示屏，電子時(shí)鐘模塊、心率檢測(cè)模塊、計(jì)步模塊等7個(gè)部分電路構(gòu)成。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

該最小系統(tǒng)主要是由復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩電路等構(gòu)成，并由USB接口提供直流電源支持單片機(jī)的正常運(yùn)行。單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)Fig.2 MCU minimum system

根據(jù)設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)，RST引腳接收到兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號(hào)，STC89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。本設(shè)計(jì)采用的是12MHz晶振，按鈕復(fù)位電路。

2.2 主要子模塊電路

2.2.1 LCD顯示電路

LCD顯示屏的D0到D7與單片機(jī)P0口相連，LCD顯示屏EN口與單片機(jī)P3.4口相連，RS與P3.5相連。可以通過(guò)變阻器RV1改變LCD顯示屏的顯示對(duì)比度，LCD顯示模塊如圖3所示。

圖3 LCD顯示模塊Fig.3 LCD display module

2.2.2 獨(dú)立按鍵模塊電路

獨(dú)立按鍵模塊如圖4所示，采用獨(dú)立鍵盤，鍵盤按下時(shí)，相應(yīng)的I/O口電平由高變低，檢測(cè)按鍵是否被按下。4個(gè)獨(dú)立按鍵與單片機(jī)P1.0—P1.3口相連。

圖4 獨(dú)立按鍵模塊Fig.4 Independent key module

2.2.3 報(bào)警模塊電路

蜂鳴器在準(zhǔn)點(diǎn)報(bào)時(shí)產(chǎn)生報(bào)警聲，LED在秒鐘為偶數(shù)時(shí)或者功能鍵被按下時(shí)亮。蜂鳴器與單片機(jī)P2.2口相連，LED燈與單片機(jī)P2.3口相連，報(bào)警模塊電路如圖5所示。

圖5 報(bào)警模塊Fig.5 Alarm module

2.2.4 心率傳感器

本設(shè)備選購(gòu)的心率傳感器，它是通過(guò)按壓光電式心率傳感器實(shí)現(xiàn)血液對(duì)綠外光的吸收，將檢測(cè)到的光強(qiáng)變化量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)接口傳送到達(dá)處理器部分。當(dāng)處理器處理完畢之后，由LCD1602液晶顯示屏顯示出心率值BPM，以達(dá)到心率檢測(cè)的目的[6-7]。

2.2.5 三軸加速度傳感器

從圖6中可以看到，LSM303芯片與外圍器件通過(guò)一條I2C總線實(shí)現(xiàn)通信功能，此芯片連接簡(jiǎn)單，周邊所需器件少。I2C總線采用一條數(shù)據(jù)線(SDA)和一條時(shí)鐘線(SCL)完成數(shù)據(jù)的傳輸及外圍器件的擴(kuò)展。

圖6 加速度傳感器LSM303外圍電路Fig.6 Acceleration sensor LSM303 peripheral circuit

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)備經(jīng)過(guò)上電初始化后系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)鐘模塊與計(jì)步模塊，此時(shí)當(dāng)使用者第1次按鍵時(shí)，在LCD1602液晶顯示屏上顯示存儲(chǔ)在寄存器內(nèi)的時(shí)間數(shù)據(jù)；第2次按鍵時(shí)，開(kāi)始檢測(cè)心率并在檢測(cè)完畢后在顯示屏上顯示心率數(shù)；第3次按鍵時(shí)，中斷心率程序并且在顯示屏上顯示存儲(chǔ)在寄存器內(nèi)的步數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示步數(shù)的功能。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

3.2 主要的子程序設(shè)計(jì)

3.2.1 電子時(shí)鐘模塊程序設(shè)計(jì)

主程序進(jìn)行初始化后便開(kāi)始運(yùn)行該模塊。首先定義各項(xiàng)參數(shù)以及初始化各相關(guān)模塊，調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序，然后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在寄存器中，判斷是否有按鍵按下，若有按鍵按下則調(diào)用數(shù)據(jù)顯示到LCD顯示屏上。計(jì)時(shí)中斷服務(wù)程序完成秒的計(jì)時(shí)及向分鐘、小時(shí)的進(jìn)位和星期、年、月、日的進(jìn)位。調(diào)時(shí)程序用于調(diào)整分鐘、小時(shí)、星期、日、月、年。主要由主函數(shù)組成通過(guò)對(duì)相關(guān)子程序的調(diào)用。實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的設(shè)置和修改、LCD顯示數(shù)值等主要功能。相關(guān)的調(diào)整是靠對(duì)功能鍵的判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電子時(shí)鐘程序流程圖如圖8所示。

圖8 電子時(shí)鐘程序流程圖Fig.8 Flow chart of electronic clock program

3.2.2 心率檢測(cè)模塊程序設(shè)計(jì)

該子模塊由主程序激活，在主程序發(fā)出信號(hào)后，初始化各模塊并開(kāi)始檢測(cè)心率，在采集到數(shù)據(jù)并且處理完數(shù)據(jù)后在顯示屏上顯示心率數(shù)。若在這過(guò)程中主程序發(fā)出中斷指令則立即中斷運(yùn)行該子模塊[8]。心率程序流程圖如圖9所示。

圖9 心率檢測(cè)模塊程序流程圖Fig.9 Heart rate detection module program flow chart

3.2.3 計(jì)步模塊程序設(shè)計(jì)

主程序進(jìn)行初始化后便開(kāi)始運(yùn)行該模塊。首先定義各項(xiàng)參數(shù)以及初始化各相關(guān)模塊，調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序，然后將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在寄存器中，判斷是否有按鍵按下，若有按鍵按下則調(diào)用數(shù)據(jù)顯示到LCD顯示屏上[9]。判斷時(shí)間是否過(guò)了1 d，若是過(guò)了1 d則歸零步數(shù)，達(dá)到每天更新步數(shù)總數(shù)的功能。計(jì)步程序流程圖如圖10所示。

圖10 計(jì)步程序流程圖Fig.10 Flow chart of step-counting program

4 軟件仿真與硬件調(diào)試

4.1 仿真調(diào)試

為了驗(yàn)證電子時(shí)鐘的代碼是否描述正確，依據(jù)代碼利用Protues8.0做仿真電路圖。仿真電路如圖11所示。仿真結(jié)果：可以正確顯示年，月，日，星期，還有時(shí)分秒。

在仿真電路中，通過(guò)自動(dòng)模式仿真，可以發(fā)現(xiàn)LCD顯示屏可以正常顯示仿真結(jié)果。本次仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電子時(shí)鐘模塊的軟件能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

圖11 仿真電路圖Fig.11 Simulated circuit diagram

4.2 實(shí)物制作與調(diào)試

將各模塊連接于開(kāi)發(fā)板上，每個(gè)模塊連接完成后，需要逐一對(duì)其模塊功能進(jìn)行調(diào)試，以及對(duì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行排除。制作并調(diào)試通過(guò)后的實(shí)物如圖12所示。

圖12 實(shí)物圖Fig.12 Physical map

首先對(duì)心率模塊進(jìn)行測(cè)試，將心率傳感器貼于手腕處，模擬佩戴手環(huán)時(shí)測(cè)量心率的情況，利用獨(dú)立按鍵將設(shè)備調(diào)至測(cè)試心率的模式。測(cè)量結(jié)果如圖13所示，其中心率為73。經(jīng)過(guò)對(duì)照測(cè)量，此數(shù)據(jù)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖13 心率模塊調(diào)試圖Fig.13 Heart rate module debugging diagram

再測(cè)試計(jì)步模塊，將設(shè)備系在測(cè)試者手腕上經(jīng)行走動(dòng)，模擬佩戴手環(huán)時(shí)記錄步數(shù)的情況。使用獨(dú)立按鍵將設(shè)備調(diào)至LCD顯示屏顯示步數(shù)的界面，測(cè)量結(jié)果如圖14所示。從測(cè)試結(jié)果看，設(shè)備記錄的步數(shù)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 計(jì)步模塊調(diào)試圖Fig.14 Step-counting module debugging diagram

5 總結(jié)

設(shè)計(jì)利用STC89C51單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合可測(cè)心率、可計(jì)步、可調(diào)節(jié)電子時(shí)鐘等功能，利用心率傳感器對(duì)人體心率進(jìn)行采集，并使用三軸加速度傳感器對(duì)步數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)心率和計(jì)步的基本功能。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在一個(gè)裝置上集成了可測(cè)心率、可計(jì)步、可調(diào)節(jié)電子時(shí)鐘等功能。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)的工作原理能基本滿足設(shè)計(jì)需求，可滿足快速測(cè)試健康指數(shù)的需求。