基于心率测量原理的便携式运动负荷检测仪设计

引言

近几年，我国在校生的身体素质明显下滑，除了繁重的学业因素外，越来越多的学生把时间花费在了电脑等电子产品上，导致身体素质下降；我国教育部曾提出“每天运动1小时，健康工作50年”的口号，倡导全民运动，增强全民体质。基于以上背景，我们研制便携式运动负荷检测仪，不仅能增加用户运动的趣味性和热情，同时方便体育老师的日常教学考核工作，有较高的实用价值。

1 硬件系统设计

人体负荷检测仪的硬件结构图如图1所示，该仪器以MSP430为主控制器，外围模块主要由传感器模块、人机交互模块、数据存储模块、USB通讯模块、电源管理模块等部分组成。其中，USB通讯模块实现与上位机通讯，电源管理模块由锂电池供电[1-3]。

在本系统中MSP430单片机系统是整个系统的核心控制部分，其能耗也是整个系统中最大的。系统选用了MSP430F149型16位单片机。MSP430系列单片机是TI公司设计的一款在低功耗方面具有鲜明特色的单片机，它的突出特点就是低电源电压和灵活的时钟源，可以使器件达到极低的功率消耗，可由多种电池供电，非常适用于手持式设备的开发[4-5]。传感器模块包括脉搏传感器和加速度传感器，用于检测人的心跳及运动加速度。数据存储模块用于存储检测到的人体负荷信息。USB通信模块用于上位机与单片机的通信，人机交互模块用于用户获取自身运动信息并进行功能设置。电源管理模块保证系统不断电并实现对锂电池的充电。

2 心率传感器的选型

本产品采用的心率传感器为合肥华科电子研究所生产的HK-2000A传感器，如图2所示。该型号采用高度集成化工艺的力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。灵敏度高；抗干扰性能强；过载能力强；一致性好；性能稳定可靠；使用寿命长。模拟输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，测试波形如图3所示；该产品用于脉率检测，如运动、健身设备中的心率测试[6]。固定方法如图4所示。

3 运动负荷的计算

运动负荷评估体系中，运动心率=运动后即刻测得的6秒心率×10；1分钟后心率=运动结束1分钟后测得6秒的心率×10；运动后心脏恢复率＝（运动心率－1分钟后心率）/10。除需要运动前后心率数据外，还需要使用两个非常重要的参数，即靶心率和最大心率。其中靶心率范围为最大心率×（60%～85%），最大心率=220-用户年龄。这两个参数是通过配置的用户参数计算而得。运动负荷的计算规则如下表1和表2：

4 系统软件结构