基于IAP15单片机的智能穿戴设备设计
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作者:张磊 张旭君
摘要：在社会日益发展的今天，在以满足物质需求的前提下，越来越多的人开始关注自己和家人的健康问题。虽然科技日益进步，但是对上班族来说，久坐以及长时间的脑力劳动会造成一定的身体问题，如肥胖症、高血压、失眠等等。为了更好地记录和查看人体的健康水平，提醒人们生理参数值变化，帮助人们养成良好的健康习惯，本项目基于了IAPl5F2K61S2型号的单片机，利用了血氧与心率检测原理、计步算法、远程监控技术，设计了一款可穿戴智能设备，既能记录使用者步行运动情况、消耗卡路里，又能检测出当前血氧、心率数值，同时可以将信息数值发送到其他指定成员的终端设备上。
关键词：单片机;计步器;血氧;心率;智能穿戴设备
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）01-0205-02
1计步器的设计
1.1设计任务与思路
电子的计数器与具有振动效果的传感器组成了计步器，通过分析人们走路时状态的变化，发现重心随着步伐上下变化，尤其是腰部区域幅度最大。对于计步器，振动传感器最为重要，起到监控和采集数据的作用。在传感器捕获行走步数、使用者步伐后，通过算法分析得到行走的总长度以及消耗能量值大小，方便于起到检测运动程度的作用。
计步器是包含复位与振荡电路、传感器模块、按键部分和数码管显示部分等等几个方面。其中，复位部分用来让IAPl5单片机恢复至最初的水平，并且开始重新工作;振荡电路部分则为IAPl5提供了一个来自外部的时钟信号;数码管显示部分用来显示人行走的步数，并且被单片机所控制;按键模块部分提供了按键控制使得IAPl5部分功能手动實现;传感器是检测随步伐变化而产生的人体振动，若当监控到出现振动，那么传感器将返回一个低电平，通知单片机进行步数的采集。整体结构设计图如图1所示。
1.2硬件的设计
（1）复位电路
复位电路是用来进行上电复位的，当释放了按键时，电路给电容进行充电直到其饱和，此时可以将电容看成是断路，由于有电阻，RST将会连接到地，即表现出低电平。当按键被按下，通过电阻，RST将会连接到VCC，即呈现高电平。当按键释放后，电容将会变成充电状态并且持续一段时间的高电位状态，这即为复位系统。该部分的硬件电路图如图2所示。
（2）振荡电路
IAPl5F内部存在着振荡电路，它主要是反向的放大器组成，这个部分的电路是用以确保单片机能够稳定工作的。当振荡器出现不规律的运行状态时，系统将会在执行程序阶段产生一定的时间差异。特别是处于高频阶段下，如果单片机内部的时钟不够准确，外部的振荡电路部分的存在，在时钟电路中将电容用来阻止干扰，将会让晶振的频率变得平稳精确。该部分的硬件电路图如图3所示。
（3）传感器模块部分
振动传感器会在有检测出机械振动的信号的状态下，配合整个闭环电路，使得机械性的振动信号转换并输出为电信号。
该传感器部分的使用特点如下：
①具有对各类型的振动产生触发的作用，如电子积木、智能车、报警等;
②当模块捕获小的振动时会具有短促的触发间隔，无法使继电器被唤醒;
③当没有出现振动时，电路开关是断开的，此时将会输出逻辑“1”，即为高电平，指示灯就不会被点亮;
④当有振动发生时，开关立即闭合，将会输出逻辑“0”，即为低电平，指示灯就会被点亮;
⑤为了监视是否发生了振动现象，可以将输出端同IAPl5F直接连接，在分析输出的电平的高低状态后实现报警的功能。
（4）其他电路部分
为了更方便使用者观察数据，需要设计由4位的LED共阳极数码管组成的屏幕，使用八段的数码管且每段都具有发光二极管，对共阳极的数码管来说，将阳极共接到单片机的VCC端，通过输入的代码进行数码管的位选和段选，从而显示不同的数字段。
与此同时，设计一个按键电路实现手动控制功能，当不同的按键被使用者按下时，步数可以被存储、被清零，使用者可以浏览到存储的历史记录以及查阅下一项记录等等。
2血氧与心率检测的设计
2.1血氧饱和度检测的原理
血氧饱和度的检测原理既有分光光度的测定，又有对血容积的描述。为了能让光电探测器分辨出具有各种波长的光，需要调节LED进行关闭与打开的不断切换。通过使用940nm波长的红外光以及660nm波长的红光来进行分光光度检测。分析对660nm波长的红光来说，氧合血红蛋白（HbO21会有比较少量的吸收效果，但对940nm波长的红外光来说，会吸收相对较多。这个结论与血红蛋白（Hb）恰好相反。因此，当分析红外光与红光的吸收程度的比值时，可以得到血氧的饱和水平。
在设计该血氧饱和度检测系统时，先给探头的左侧分别安装上可以发出红光的发光管以及可以发出红外光的发光管，同时为了将捕获的手指中动脉血管的红外以及红光变换成为电信号，将探头右侧安装上光电检测器。已知了红光与红外光在人体各组成部分中吸收程度的定值（包括脂肪、骨头、静脉血、肌肉、皮肤等等各个部分），当氧合血红蛋白和血红蛋白在动脉血中的浓度受到动脉周期改变时，转换后的电信号也会有所周期性变化。分析这些变化的电信号就能检测到血氧饱和度并且通过算法分析脉率。
除此之外，血液发生的搏动也会直接影响血氧饱和度。当有光源照射到外周组织，检测该光束的强弱水平会与心脏跳动的周期相互关联。当心脏收缩状态下，外周血的容量会十分得多，此时光的吸收量也会十分得多，但是可以捕获到的光能量却很小，而正好和心脏舒张状态下的结果相反。光的吸收量改变很大程度上意味着血容量改变，因此，光能的大小才能被搏动的血容量所改变。
其中，血氧饱和度方程式为：
但由于外界环境中的光线会对检测信号有所干扰，需要除去透射光中的干扰部分。当两种波长的透射光作用于人体各部位以后，因为氧合血红蛋白（Hb02）与血红蛋白（Hb）在吸收水平方面是存在了差异的，可以找到吸收量与人体组织f如血液、骨骼、肤色等等）之间的函数关系。而吸收又包含了搏动与非搏动两种吸收，转换为电信号时，闭合回路中的交流部分可以看出是由搏动的动脉血产生，而直流是固定吸收并且是非搏动的静脉血、动脉血以及人体组织产生。
2.2血氧监视的有限性
血氧饱和度的监视部分是为了检测氧合血红蛋白（HbO2）和去氧血红蛋白（Hb）的数值变化，但并没有针对一些具有血红蛋白病变的患者，比如存在高铁血红蛋白和碳氧血红蛋白。尽管氧合型和碳氧型是具有相似的吸收红光水平的血红蛋白，但是后者所显示出来的血氧饱和度会比正常情况下高，此时只有分析动脉血才可以得出准确数值。同时，当检测病人时，一些躁动行为也会影响SPO2的检测，而且当病人出现血液循环不通畅、休克等等生理病症时，会由于低动脉血流而导致监测结果的不准确。除此之外，当血氧检测探头被外界自然光强烈照射时，也会使得接收到的光电信号与准确值有较大差异。
3总结
在设计完计步器以及血氧与心率检测部分以后，使用蓝牙与WIFI技术，将由IAPl5F2K61s2单片机所主要控制的穿戴设备与手机终端进行通信。整体智能可穿戴设备实现了测量运动程度、换算运动所消耗的卡路里、检测人体心率血氧、上传健康数据至手机终端等等功能。同时设置了按键可手动控制、查看、上传并保存数据，也设置了液晶显示屏方便使用者直观获取数据。本文所讨论设计的智能可穿戴设备利用了血氧与心率检测原理、计步算法、远程监控技术，包含光电式脉搏传感器模块、振动传感器模块、复位振荡电路、按键模块、数码管显示模块等等，实现了上述各项功能，具有综合性、先进性以及一定的市场价值。
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