基于STM32单片机的大学生体能监测仪设计与实现

1、智能仪器与传感技术 机 测 量 与 控 制（ ） 犆狅犿狆 犕犿犲狀狋 牔 犆： （ ） ： 基于单片机的大学生体能犛犜犕 监测仪设计与实现张中沉，张 军（伊犁师范大学体育学院， 新疆伊宁） 摘要 ： 体能监控仪作为生命体征监测设备， 对于辅助大学生完成体能训练有很大帮助； 基于单片机 技术 ， 设计开发集成了多种传感器的一种大学生体能监测装备运动圈速 、 消耗卡路里等信息 ； 该设计采用了控制系统 、 心率获取电路、 心率获取子程序， 它能够有效的检测包括心率检测， 采用模块化的设计思路、 人体的步数、作为主控芯片； 在系统硬件设计； 同时将软件仿真结果显示 ， 使用 、 三轴传感器电路，

2、步数获取子程序， 能够运行稳定方面 ， 设计了包括、 显示电路以及按键电路等， 显示子程序等 模块拆分成了初始化子程序；次 单片机技术设计的体能监测系统， 测量心率范围次 ， 可在心率异常 ， 实验结果符合预期 ； 为单片机在体育 时报警， 同时检测步数的准确率达， 满足体能监测任务需要； 心率监测 运动研究信息化中应用提供参考关键词 ： 体能监测仪。；单片机； 步数记录；仿真 犇 狀犪 狀犱 犐犿 犿狀狅 犳犆 犲 犺 犵 狆 犵 狔犕 狅 犱狅 狀犛 犜 犕 犛 犆 犕犿 犵 狆 狆， ， ， ）： ，犃 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ；犓狑

3、； 收稿日期基金项目作者简介引用格式：； 修回日期：。 ：伊犁师范大学大学生体质监测中心重点实验室开放课题（）。 ：张中沉：张中沉（），男 ，河南商丘人，硕士 ，讲师 ，主要从事体育器材开发与教学理论方法方向的研究。，张军基于单片机的大学生体能监测仪设计与实现 计算机测量与 控 制 ， ， （ ）： 投稿网址 Copyright博看网 . All Rights Reserved.第期张中沉， 等 ： 基于单片机的大学生体能监测仪设计与实现 本设计针对学生体能监测领域的需求的大学生体能监测仪 ， 设计出一， 它集成了多种引言 款基于教育部明 确 了 中 小 学 学 生 锻 炼 内 容 、 时 长

4、 、 强传感 器 ， 包 括 六 轴 传 感 器、 度 ， 对体育和健康课程进行了刚性的要求。 随着我 心率检测 传 感 器 、显 示 屏 等 ， 能 够 有 效 的国的素质教育的推广， 越来越多的主管部门和学校开质训 练 。 学生 体 能锻炼检测包括心率检测路里等信、 人体的步数、 运动圈速、 消耗卡始重视学生的体的 有效 落 实 ， 同时对学生体息 。 本 设 计 拟 解 决 的 人 性 化 面 临 以 下 几 个一方面依赖于各方政策的制定和执行问题 ：能锻炼过程中的保护措施提出了更高的要求。） 体能监测仪需要监 测 多 种 的 体 能 参 数 ， 包 括、 运动圈速 、 消耗卡路里等信迄

5、今为止， 体能监测仪器的设计与开发取得了长心率检测、 人体的步数足进 步 ， 曹 育 森 等利 用单 片 机 进 行 息 ， 多参数的监测能够全面的了解人体运动状态好地评估运动结果， 更转换为数字信号设计了一种非接触式呼吸暂停检测与。远程监护装置， 装置外形设计小巧。 周择文等、 制作成本低、 实单片） 在设计方案时， 同 样 需 要 考 虑 监 测 设 备 的 小时性与可靠性较高机作为控制器核心单片机收到相应脉冲波端发送信号采用 型化和集成化。 由于是运动时使用 ， 所以设备不宜过， 通过心率传感器来输出方波， 数码管即可进行计数向接收， 脉搏测量仪成功实现相应等 设 计 开 发 了 基 于

6、， 当大 。 需 要 将 系 统 集 成 到 小 型 设 备 上 ， 便 于 运 动 时携带 。 经实际测试） 作为一个体能监测 仪 ， 良 好 的 人 机 交 互 性 也功能 。 杜健宁开发板的脉搏与体温检测装置低廉以及体积小巧的红外热成像体温检测仪 ， 装置操作简单 、 成本设计开发了基于单片机 是必不可少的能力 ， 让使用者能够方便的获取设备采集到的信息。 应该使用多种方式 ， 提高设备的交互。 时昊等 使用嵌入式的 技 术 手 段 ， 设 计 一 款 基 于 ， 实现了实时体温显示、 存储和搭建出腰部外骨骼样机作为试验平台、 声。 姜， 对外骨的大学生 体 能 监 测 仪 ， 集 成

7、六 轴 传 感 器、 ， 能够有效地获取学光提示笑天、 超温图像采集访问功能心率检测传感器等 生的体能信息， 更好地反应学生体能的综合情况单片机在体育运动研究信息化中应用提。 以骼关键部位进行应力应变测试和分析， 通过心率、 肌期为 肉收缩率和博格值的分析确定了外骨骼在缓解人体搬供参考。运疲劳方面的有效性。 丁青锋等， 分别使用电容式压力传感器和温度传感器， 避免了传统测量方式下因观 因 素 影 响 测 量 结 果 的 问 题 。 马 鸿 斌 等以单片 系统结构与原理 机为核心 测量人体血压脉搏和体温出于体能监测仪的便携性考虑， 本次设计使用了。 根据体能监测仪的、 信息反馈和异为人的主 作为

8、核心处理芯片单片机设计开发 了便 携 式生 物 阻抗 相 位 角 测 具体监测需要， 设计了人体参数监测量仪 ， 该测量仪的精度和测量速率都可以满足实用化要求 。 沙益夫 开发 的 基于动态血压测量系统可准确测量出人体血压小 、 使用方便 、 显示清晰等优点体能监测仪是一种能够对人体运动过程中的生理常报警大功能：单 片 机控制的 人体参数监测功能即使用传感器采集人体产生的心率 、 步数等数据 ， 具体实现则是由单片机通过各种接口包括 、 模数转换等 ， 与传感器进行通信， 具有体积。， 从数据包括心跳、 步数等进行记录的仪器， 一般具有小而获取传感器采集的人体参数信息， 并通过系统进行型化 、

9、 集成化的特点对异常数据进行预警。 通过记录运动时的生理数据并， 体能监测仪能够很好地保护学处理 。信息反馈功能则是将采集到的信息通过反馈给使用者 ， 具体实现是通过通信接口连接显示器件或者其他上位机等 ， 将采集到的信息进行展示异常报警功能则是通过微处理器实时的监测使用生在运动时 免 受 伤 害 ， 为 后 续 指 定 锻 炼 计 划 提 供 依据 。 目前的体能监测仪存在功能单一问题 。、 检测精度低等。投稿网址： Copyright博看网 . All Rights Reserved. 计算机测量与控制第卷者的运动数据， 分析使用者运动状态， 当检测到数据电 源 ， 减 少 因 为 负 载

10、 波 动 给 电 源 带 来 的 影 响 。出现异常时， 则及时的发出警报提醒使用者做好休息的时钟电路， 其中为 的高速晶振 ， 给， 如 补水或者就医等工作。单片机系统内需要高速频率信号的器件提供信号、 高 级 定 时 器 等 。为 低 速 晶 振 ， 采 用 的 是 传感器能够将被观测对象的某种性质温度 、 湿度 、 光照强度等， 如环境的 的晶振， 用于该频率的特殊性 ， 能 够为系统的提供时钟信号。 ， 转换成电信号或者其他信、 信号调理转换 在本次设计中， 采用了按键这种经济便捷的方式号的装置电路组成。 一般有某性质的敏感元件。 其中某性质的敏感元件能够将该性质特征， 再由转换元件将

11、该量转换， 电信号通过信号调理转换电路转换成单片设计系统的复位电路复位管脚。的复位管脚为 ， 采用为低电平触发方 式 。作 为 电 容 应转换成为能够被检测的量用在复位电路中电复位时间， 能够延缓电平变化， 提供足够的上成电信号。机或者其他处理器能够读取的量依照转换元件的不同。 对于而言 ， 能够使用多种下载方式， 对 ， 能够将传感器分为电阻式、 谐振式传感器等等芯片进行程序的更新下载方式和下载。 使 用管脚更少的能够进下 载 方 式 相 比 ， 它 需 要 传感器、 电容式传感器， 常见的水滴传感器， 面板的电阻特性会发生变化， 该信号能够被处理器获取。 以电容， 相较于串口下载， 同时它

12、与，行 在 线 仿 式传感器为例器上面时， 当有水落在传感。 经过信号转， 从而获真等优势 和两个管脚 ， 使用到的管脚更少。 换和信号放大后知是否有水滴 。六轴传感器 ， 之所以被称为六轴器 集 成 了 加 速 度 传 感 器 和 陀 螺 仪 传 感在本次设计中， 使用的， 当传感器的姿态发生变化时， 从而被其内部集成的电路处理六轴传感器为 ， 是因为加速度和陀螺仪包括电容式传感器， 内部的来自是个 坐 标 轴 的 数 据 ， 即、 、 轴 ， 所 以 一 共狓 狔 狕电容结构会随之改变并通过接口传输给单片机感器属于光电传感器光线 ， 并捕捉反射的光光也会随之改变个 轴 的 方 向 信 息

13、被 传 感 器 采 集 。 采 用 的。心率检测传 来 自 于公 司 ， 其 内 部 集 成 了 ， 能够在硬件层面分析采集。 其特点包括以下几个方面， 该传感器能够向人的皮肤发射， 当心率发生变化时数字运动处理器到 ， 发射的的数据： ， 从而被传感器获取。） 体 积 小 ，芯 片 封 装 仅 为 硬件设计 ， 能够适应各种姿态检测场景； ） 内部集成了数字运 动 处 理 器 ， 提 高 数 据 处 理根据体能 监 测 仪 的 总 体 功 能 要 求 ， 终 端 设 计 由、 心 率 监 测能力 ， 能够减少处理器的负荷。最小 系 统 、 六 轴 传 感 器 传感器 ） 能够支持两 个通 信

14、 接 口 ， 便 于 拓 展 磁 传、 数 模 转 换 模 块 、 显 示 电 路 以 及 蓝 牙 电 路 等感 器 等 设 备 ， 同 时的 最 高 速 度 能 够 达 到构成 。； ） 它还集成了温度传感器等。在本次设计中， 考虑到各个传感器的通信接口兼作为主控芯片由于的这些特点， 使得该芯片广泛应 容性 ， 使用了， 通过设计单片 ， 完成了对大学生体能监测核心控制板。 核心控制板由 的电源电路路 、 系 统 复 位 电 路 以 及 程 序 下 载 电 路 等 构的 电源 电 路 ， 采 用了 电 源的直流电转换成为单片机工用于手机、 体感游戏机、 四轴飞行器等等。机的最小系统其中为上拉

15、电阻子 ， 通过该端子能够将设备连接到单片机为 六 轴 传 感 器， 和的设计、 高速和低，和为滤波电容 为接线端， ， 进行控制的 设 备 地 址 ，速时钟电成 。和通信。管脚可以控制 ， 设备的地址为， 设备的地址为芯片 ， 该芯片能够将当连接低电平时， 当 。 通过 改 变 作需要的的电压。、 、 、 用于稳定连接高电平时 投稿网址： Copyright博看网 . All Rights Reserved. 第期张中沉， 等 ： 基于单片机的大学生体能监测仪设计与实现连接的电平状态能够有效地避免总线上的设备地址冲突， 从而更好地拓展通信业务。 使用的心率传感器为艾迪逊电子生产的光电反射式心

16、 率 传 感 器 ， 该 心 率 传 感 器 采 用 了 作为环境光功耗运放传 感 器 ， 同 时 通 过 了带 宽 的 低 ， 输出的信号为模拟信号。 由于芯 片 上 集 成 了转 换 功 能 ， 所以只需要将心率传感器的输出管脚连接上具有转换能力的管脚即可芯片。 软件总体框图图在本次设计中， 使用了作为显示器件、 仪 器 仪 表 等 领。具体的程序流程是设和缓存的初始化后： 初始化子程序完成对系统外广泛适用 于 各 类 工 控 设 备， 使用步数检测子程序和心率检域 ， 其具有以下特点：测子程序获取相关的体能监测数据， 然后将这些数据） 最多能够显示两行字符， 同时每行， 并通过蓝牙通信子

17、在显示屏上进行更新显示字 符 不 超 过个。 结 合 按 键 使 用 ， 能 够 使 得程序发送到手机等其他上位机。显示更多的参数和信息通过将子程序模块进行封装成函数， 然后在使用） 自带字库， 使得开发人员不需要获时调用函数 执 行 对 应 功 能 ， 这 样 的 程 序 能 够 便 于 阅， 只需要通过数据管脚传输对应的取字模信息读 ， 同时方便程序优化和移植， 这对于后续的产品迭编码 ， 就能够显示所需要展示的信息。代和程序维护具有重要的意义。） 工作电压在， 工作电流 。 为在大学生体能监测仪的设计过程中芯片需要使用合适的外设管脚与各个硬件模块进行通信 ， 同时在使用这些管脚前， 对于

18、 ，蓝牙电路选择的是公司生产的芯片， 如智， 必须对相关的管脚进行该芯片被广泛应用在低功耗的无线传输场景下。 具有以下特点） 该芯片是作用在初始化设置， 这样才能够执行对应的功能。 表为能家居等： 使用的硬件模块与芯片连接的管脚。 频段下的无线传输 表初始化管脚表芯片 ， 能够满足多种通信速率的要求。） 其实基指令集于内 核 的 芯 片 ， 能 够 支 持 管脚名称初始状态使用说明输出。 输入） 具有通用的管脚，的随机存储内存， 输入能够满足很多场景下的业务需要。输入的数据管脚软件设计 输出输出输出模块 考虑到体能监测仪的实际业务需要， 便于后续的软件迭代更新和系统维。 将软 件 划 分 为

19、： 初 始 化 子 程 序 、 步 数 检 测 子 程， 将系统软件输入输入输入输入输出输入进行模块化设计按键护序 、 心率检测子程序序 。 软件总体框图、 显示子程序以及蓝牙通信子程所示。蓝牙模块 投稿网址： Copyright博看网 . All Rights Reserved. 计算机测量与控制第 卷脚 ， 在使用前需要调用模数转换功能， 所以需要连接。 首先 需要 初始 在使用时， 由于其内部集成了。 在读取步数时，单片机的片上进行采集和分析 ， 只需要 能够进行运动数据计算处理按照规定读取化单片机片上的， 这里选择管脚 。的 是 的 通 道 内存的数据寄存器即可 。， 它被映射到了在初

20、始化子程序完毕后，被设置成为。 读取 寄存 器 时 ，的为了 提 高 采 集 速 度 能够使得采集到的数据不需要通过， 开 启 了功 能 ， 使 用 后 ， 只需 时钟管脚，被设置成数据管脚上传一般发送起始信号指令一般， 等待响应， 然后发送写指令， 写输 ， 避免了浪费。 开启 的资源就 是 器 件 的 地 址 ， 如 本 加 速 度 计 的 地 址 为要访问对了应 的地 址 即 可 得 到 转 换 后 的 数 字 量所示 。 ， 然后 等 待 响 应 。 得 到 响 应 后 ， 在 写 入 希 望 读， 心率检测子程序设计如图取的寄存 器 ， 而 获 取 步 数 需 要 读 取 的 内 存

21、 为 部 分， 即寄 存 器 ， 然后连续读取即可需要指出， 最后发送停止指令。的 是 ， 由 于 寄存器是字节寄存器类型的， 所以在传入指针是使用的是， 通过总线连续读取了所示 个字节 。 具体的写指令流程如图。 图心率检测流程图 在本次设 计 中 ， 使 用作 为 显 示 器 件，用于显示体 能 监 测 仪 检 测 到 的 步 数 、 心 率 等 相 关 信息 。 该显示屏模块需要个数据管脚和个控制管脚进行控制， 在 使 用 前 需 要 的 相 关 的 管 脚 进 行 初 始 化设置 。在使用时， 主 要 包 括 两 个 步 骤 ， 一 个显是对显示屏进行初始化 ， 另外一个则是控制示指定

22、的字符了相关的显示参数清空显示屏等。 在对显示屏进行初始化时需要设置， 如显示区域、 光标位移方向、 以及。 具体流程如图所示。 图获取步数流程图图中， 在 控 制显 示 指 定 的 信 息 时 ， 对 首先会判断当前需要显示的字符是否为是则表示字符 串结束“ ”， 如果在读取寄存 器前， 退 出显示子程序； 如 果不是， 存放步数则返回量中的指 针 进 行 了 判 断， 如 果 为个 字 节 ， 存 放 在， 然后指向显示。 由于读取 到 的 是变则写入需要显示字符对应的坐标信息字符 的 指 针 自 加结束 。， 需 要 对变 量 进 行 处 理 ， 处 理 成 为， 重 新 判 断 当 前

23、 的 字 符 串 是 否类 型 的 数 据 。 具 体 操 作 是 ， 将 作为最高位， 向右移位 ， 其 次的 字 符向右移， 以及位 ， 这样得到的数据为最终的步数。，图使用蓝牙给上位机发送信息通过蓝牙能够， 这样一样体能监测仪的实。 使用的蓝牙采用了串口通信 实现无线形式的数据传输用性和便捷性大大提高心率监测子 程 序 需 要 连 接 单 片 机 的 模 数 转 换 管投稿网址： Copyright博看网 . All Rights Reserved.第期张中沉， 等 ： 基于单片机的大学生体能监测仪设计与实现 和调试。 其中目 录 为 主 程 序 以 及 各 个 外 设 的 驱动 程 序

24、 ， 对 于 文 件 的 命 名 应 该 尽 量 做 到 见 名 知意， 如便 是 与 六 轴 传 感 器 的驱动代码等。 本次设计 主 要 通 过 仿 真 对 系 统 进 行 测 试 和 验软 件 ， 这 款 软 件 广 泛 应 用 于证 ， 使用的是电路仿真， 能够支持 数 万 种 类 别 的 元 器 件 ， 可 以 对行 形 象 的 仿 真 演 示 ， 同 时 它 也 具 备电路和单片机进原理图绘制软件中没有键进行模图显示初始化流程图 和设 计 的 功 能。 由 于 在六 轴 传 感 器， 所 以 使 用 了 按 拟 步 数 的 增 加。 图为 仿 真 运 行 时 效果图 。除了必要的

25、时 钟 和 电 源 电 路 外 ， 可 以 看 出为上拉电阻， 用于增加组管脚的驱动能力， 从而 驱动显示屏的显示数据管脚。 右下角的虚拟仪器为串口监视器信息在， 能够监视串口三输出的信息， 该 实 物 中 会 通 过 蓝 牙 无 线 信 号 发 送 给 上 位 机 。为 可 变 电 阻 用 于 模 拟 心 率 传 感 器 输 出 的 模 拟 图显示字符流程图 信号 。的方式， 并且默认的 波 特 率 为， 所 以 在 进测试 步 骤 和 方 法 ： 双 击芯 片 ， 在 选 中 的运行可以看见示 采 集 到 的 体 能 信 息 。 当 修 改 心 率 传， 也 就 是 滑 动 变 阻 器 的

26、 阻 值 时 ，行串口设置时， 需要将的串口波特率设置为文件后， 点击仿真软件右下角 ， 这样 才 能 够 完 成 双 向 的 通 信 。 具 体 的显示屏显 发送流程如图所示 。感器的值图蓝牙的发送程序流程图 实验结果与分析 在体能监测仪 的软 件 开 发过 程中 ， 使 用 的 集成开发环境为片的程序编译， 该软件能够完成芯 、 链接 等 操作 ， 同 时支 持 在线 仿 真图心率过快时仿真运行图 投稿网址： Copyright博看网 . All Rights Reserved. 计算机测量与控制第卷的值也随器会报警如图能完善之 改 变 。 到 超 过 阈 值次 时 ， 蜂 鸣 姜笑天面向

27、重物搬运的气动腰部助力外骨骼机械结构所示 。 通过仿真可以看出本次设计功与控制系统设计 广州 ： 华南理工大学， 丁青锋， 王 丽 姚基 于 复 合 传 感 器 的 人 体 健 康 监 测 系， 仿真结果符合预设目标。 能够实现体能采集统设计 传 感 器 与 微 系 统 ， ， （ ）： 参数显示和蓝牙传输等功能。， 结束语 马鸿斌 ， 田常 正 ， 蔡 希 昌 ， 等便 携 式 生 物 阻 抗 相 位基于程中 ， 调研现有的产品款更加完计 ， 软件分析进行研究） 采用的大学生体能监测仪设计与实现过角测 量 仪 北 京 生 物 医 学 工 程 ， ， （ ）： ， 确定了需求， 从而设计了一

28、沙益夫基于单片机控制的动态血压监测系备 的 方 案 。 本 文 主 要 从 系 统 构 造 ， 硬 件 设 统设计 中国医学装备， （ ）： 雪 ， 杨 。 尹 ， 李红梅， 等 人体呼吸健康检测仪的 单 片 机 ， 能 够 将 体 能 监 测 设 、 便携化的设计 工 业 控 制 计 算 机 ， ， （ ）： 备小型化信接口的兼容性， 同时在传感器选择上， 以及精度和功耗等方面的需求， 考虑了通。 辛明近红外光谱技术监测组织氧饱和度系统的研） 在硬件设计上， 对 各 个 模 块 电 路 进 行 了 详 细究 郑州 ： 河南大学 ， 基于单片机的心电信号的的论述， 包括单片机最小系统电路设计、 六轴传感器 刘青 ， 马慧霞， 李芳芳电路设计、 心率传感器电路设计以及显示电路设计和采集系统设计 自 动 化 与 仪 器 仪 表 ， （ ）： 蓝牙电路设计。 ） 采用了模块化编程 的 方 法 ， 将 体 能 监 测 设 备， 提高了程序的可读性 张毅基于单片机系统的人体生理参数远程监控系的各个功能模块封装成了函数统 模 拟 设 计 长 春 师 范 大 学 学 报 ， ， 和可维护性 。 将 软 件 模 块 拆 分 成 了 初 始 化 子 程 序 设（ ）： ， 谢 汤引生楠 ， 何建强基于三轴加速度传感器的计 、 步数检测子程序设计显示子程序设计和蓝牙传输子程序设计等随着我国