CN102670183A - 一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置 - Google Patents

Abstract

一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，属于汽车内饰装置和医疗监测设备技术领域。本发明包括用于实时监测脉搏波信号的光电传感器和配套装置。配套装置，设置于方向盘助力器中，所述配套装置包括电源供电模块、液晶显示屏、脉搏波模拟信号预处理模块、脉搏波信号及心率数据分析处理模块、脉搏波信号及心率显示输出模块以及通讯模块；本发明是一种能在驾驶汽车的同时，采集到人体指尖脉搏波，并通过处理模块及输出模块将脉搏波信号及心率显示在液晶屏上的独立装置，此种装置可以不通过PC机，便可直接测量、存储、显示脉搏波信号。本发明可让使用者在正常驾驶汽车时，方便准确的自动监测人体脉搏波及心率。

Description

一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置

技术领域

本专利涉及汽车内饰装置和医疗监测设备技术领域，具体是一种携带方便、可独立检测并显示人体指尖脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其装置包括方向盘套和设置于助力器中的配套装置两部分，在使用户在使用方向盘时，不用刻意去想着测量，在正常驾驶时就可以测量人体脉搏波及心率，并将测量结果显示在液晶显示屏上，还可通过SD卡对脉搏波信号和测量数据进行存储、传输；并且合理地将液晶显示屏及内电路放置在可安装的方向盘助力器内，助力器不仅仅有助力作用，还可显示、存储脉搏波信号，此装置操作灵便、成本低，能与汽车其他部件和功能一体化设计，为用户实现时刻关注自己生理健康情况提供了方便快捷的新途径。

背景技术

随着社会经济的发展，汽车成为人们最常用的交通工具，人们对汽车品质越来越重视，对应用于汽车内外的配部件的创新性、安装便利性等的要求也越来越高。同时现代人也越来越关注自己的健康却苦于没更多时间和精力去医院做体检，因此很难及时发现自身的健康问题，而对于身体状况不佳的驾驶者很容易在行驶过程中发生交通事故，造成对自己及他人的伤害。因此本专利提出了将健康引入身边的概念，使方向盘套和助力器有测量人体脉搏波及心率的功能，帮助使用者实时监测自己的健康状况。正常情况下，驾驶员在驾驶的过程中手握方向盘，在此期间，当手指接触到方向盘上的传感器时，传感器测量食指处的脉搏波波动，经过数据处理便可得知驾驶员目前的脉搏波和心率是否在正常范围内。

脉搏波无创检测技术已经在全世界范围内得到了广泛的应用，人体进行脉搏波物件检测的常用部位有颈、桡、踝、股和指等。通常在测量时需要将传感装置手动固定在被测量部位，不能自动进行检测。在这些测量部位中手食最为灵活，最好应用，所以当采用触动式测量时最好的方法就是选用食指作为测量对象。传统的便携式脉搏波以及心率测量仪器通常将传感装置直接连到显示装置上，这样不仅限制了仪器的空间，还对人们的生活造成了一定的不便。本专利采用将传感器和实用方向盘套、助力器结合的方式，在很大程度上方便了仪器的安装和移动，提高了仪器的美观程度，为使用者带来了便利。

现在测量脉搏波和心率大多使用大型的手动测量仪器。近些年来已有一些关于脉搏波和心率的测量装置问世。公开号为CN1600267A、公开号为CN101732039A、公开号为CN102334981A、申请号为200810052773和申请号为200410002775的专利主要针对脉搏波的测量。其中公开号为CN102334981A的专利是一种人体多路脉搏波信号采集系统，信号采集时需要将传感器夹于手腕处，不能自动检测。

公开号为CN1704021A的专利描述的脉搏波检出装置和脉搏波检出方法，具有脉搏波采集功能，但是需要使用多个压力传感器，仪器较大，不便于用户测量。

公开号为CN1504166A的专利描述的脉搏波测定装置，具有脉搏波采集功能，但是传感器被按压到用户的手腕上，同时需要袖带固定，不便于用户测量。公开号为CN1442111A的专利描述的一种光电检测频谱分析高分辨率指端脉搏波检测系统，具有无创脉搏波检测功能，但是仅为单一检测装置，不能与生活物品结合方便用户测量等不足。

公告号为CN201641996U的已授权实用新型专利ZL201020000790.0为基于波形特点分析的双通道容积脉搏波检测装置，可对两路信号同时分析，能够有效的区分正常人群和异常人群。但是此脉搏波体积较大，而且操作不方便，不能为用户提供实时便捷的服务。

在驾驶汽车时，尤其是在倒车入库或进行大角度的转弯时驾驶员必须不停地快速交叉双手转动方向盘，非常不便，为解决上述问题，通常在方向盘上加装助力器，如中国申请（专利）号为01246513.5、201020155417.2、200820200736.3、201020287819.8等专利，均只是利用杠杆原理让方向盘助力器在正常驾驶活动中起到了轻便转动方向盘的助力作用。

发明内容

本发明提供一种可以实时监测用户生理参数的方向盘辅助装置。由方向盘套承载传感器以检测用户脉搏波信号及心率数据，并将数据传到助力器内的配套装置进行处理，将处理结果显示在配套装置的液晶显示屏上，从而达到对人体生理参数的实时监测及显示。

本发明的一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，包括：实时监测用的脉搏波信号光电传感器；配套装置，设置于方向盘助力器中，所述配套装置包括电源供电模块、液晶显示屏、脉搏波模拟信号预处理模块、脉搏波信号及心率数据分析处理模块、脉搏波信号及心率显示输出模块以及通讯模块；所述传感器置于方向盘套的表面，当驾驶员手握方向盘驾驶时，左手食指恰可接触到所述传感器且不影响驾驶；配套装置对所述传感器检测得到的信号进行处理并显示在所述液晶显示屏上。

本发明的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，在方向盘回正的状态下，即车轮无偏角时，所述传感器设置于方向盘套的大约9点钟方向的外侧边缘，方向盘助力器设置于方向盘的大约10点钟方向，液晶显示器5设置于方向盘助理器的外表面。

本发明的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：所述的脉搏波模拟信号预处理模块含有脉搏波信号滤波电路和脉搏波信号放大电路，对来自所述传感器的脉搏波信号先进行滤波，后进行放大处理。

本发明的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，脉搏波信号滤波电路可滤除50Hz工频干扰的脉搏波信号。

本发明的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，所述的脉搏波信号及心率数据分析处理模块7的输入端与脉搏波模拟信号预处理模块6的脉搏波信号放大电路的输出端相连，对放大的脉搏波信号进行处理，设有：

脉搏波信号模/数采集模块71，在设定的采样频率下，对脉搏波信号进行采样，并将采样到的信号转化为数字量；

脉搏波信号平滑滤波模块72，对转化后的脉搏波数字信号进行平滑滤波，将平滑滤波后的脉搏波信号传送到心率计算模块73中；

心率计算模块73，把采集到的连续脉搏波信号，按单个完整周期的脉搏波波形进行分离，算出脉搏波波形的极值点和周期，用于心率及心血管参数的计算；信号存储模块74，接收并存储心率计算模块73计算出的心率数据和脉搏波波形，并通过通讯模块9中的SD卡接口将脉搏波信号及心率参数储存到SD卡中；

液晶控制模块75接收心率计算模块73计算出的心率数据和脉搏波波形，对脉搏波信号和心率数据进行数字和图形的显示控制。

本发明的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，所述的脉搏波信号及心率显示输出模块的输入端与脉搏波信号及心率数据分析处理模块的液晶控制模块的输出端相连，通过液晶驱动器和锁存器将脉搏波信号和心率数据显示在液晶显示屏上。

本发明的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，所述的电源供电模块，包括可充电锂电池、给所述锂电池进行充电的电路以及电压转换模块，电压转换模块将可充电锂电池输出的4.2V电压转换为5伏电压和3.3伏电压，其中，所述5伏电压给所述液晶显示屏供电，所述3.3伏给所述脉搏波信号及心率数据分析处理模块、脉搏波信号滤波电路和脉搏波信号放大电路供电。

本发明的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，通讯模块9中SD接口与脉搏波信号及心率数据分析处理模块7的信号存储模块74的输出端相连，所述通讯模块将脉搏波信号及心率数据进行存储和传输。

本发明可以取得如下有益效果：

一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，可以在用户操作方向盘时，自动测量用户的脉搏波数据，经方向盘助力器内部电路处理，传到液晶显示屏上显示数据，并且可通过SD卡对测量结果进行存储和传输，便于用户随时监测心率及脉搏波。对自己的健康状况及时了解，适用范围广泛。

本专利将健康概念引入到生活中，可以在驾驶汽车的同时进行脉搏波的数据的测量，并在助力器上显示，可以让用户实时了解自己的心率及脉搏波。本专利优点在于用户可以在操作方向盘时，不用任何操作就可以实时监测脉搏波，并通助力器内置的单片机电路进行数据处理，再将数据传送到液晶显示屏实时显示。

附图说明

图1为一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置的内部结构图；图2为一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置外部结构示意图；

图3为脉搏波信号及心率数据分析的处理模块结构图；

图4为电源供电模块中的CN3068芯片充电电路图；

图5为电压转换电路图；

图6为通讯模块中SD卡在S PI模式下与单片机的电路连接图；

图7为脉搏波的波形特征图，A为主波，B为潮波，C为重搏波峰，D为重搏波谷。

图中：1、方向盘套，2、方向盘助力器，3、实时监测用的脉搏波信号光电传感器，41、可充电锂电池，42、电压转换模块，5、液晶显示屏，6、脉搏波模拟信号预处理模块，7、脉搏波信号及心率数据分析的处理模块，8、脉搏波信号及心率显示输出模块，9、通讯模块；71-脉搏波信号模/数采集模块，72-脉搏波信号平滑滤波模块，73-心率计算模块，74-信号存储模块，75-液晶控制模块。

具体实施方式

一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，如图1所示，其特征在于，含有：方向盘套1和配套装置，所述配套装置设置于方向盘助力器2中，所述配套装置包括电源供电模块4、液晶显示屏5、脉搏波模拟信号预处理模块6、脉搏波信号及心率数据分析处理模块7、脉搏波信号及心率显示输出模块8以及通讯模块9。

如图2所示，如果把方向盘看作是一个圆形的表盘，正常操作方向盘的方法是，左手放在9点钟位置，右手放在3点钟位置。双手轻握方向盘时，左右拇指自然伸直，靠于方向盘边缘，其余四指由里向外轻握方向盘套1，此时左手食指触摸到的方向盘套1左侧中间靠套边缘处，在此处位置安装一个脉搏波信号光电传感器3，其采用HG40系列反射式传感器，红外发光二极管作为快速光源，3DU5系列光电三极管作为接收管，组成红外发射－接收对管。光从红外发光二极管快速光源发出后，透过皮肤和组织，除一部分光被皮肤、肌肉、血液和指甲等吸收外，剩余部分由血液反射回，由3DU5系列光电三极管转换为电信号，传感器外部覆有直径1cm的滤光片，对外部光源进行过滤。配套装置安装在防线盘助力器中，方向盘助力器2安装在方向盘的大约10点钟方位，配套装置安装在临近脉搏波信号光电传感器3的位置上，配套装置包括：电源供电模块4、液晶显示屏5、脉搏波模拟信号预处理模块6、脉搏波信号及心率数据分析的处理模块7、脉搏波信号及心率显示输出模块8以及通讯模块9，脉搏波模拟信号预处理模块6，含有脉搏波信号滤波电路61和脉搏波信号放大电路62。

脉搏波信号及心率数据分析的处理模块7的输入端与脉搏波模拟信号预处理模块6的输出端相连，该处理模块采用单片机处理技术，使经过滤波放大后的信号进行A \D转换并进行数字处理，如图3所示，设有脉搏波信号模/数采集模块71、脉搏波信号平滑滤波模块72、心率计算模块73、信号存储模块74和液晶控制模块75。

脉搏波信号模/数采集模块71，用于待脉搏波信号处于稳定状态后，设定合理的采样频率，对脉搏波信号进行采集存储，将采集到的信号转化为数字量。脉搏波信号及心率数据分析的处理模块7可采用单片机来完成，将检测到的脉搏波信号经放大、滤波等信号调理后进入单片机，利用单片机自带的A/D转换模块进行数据采集，使采集到的信号立即转化为数字量，在数据缓存后，将脉搏波数字信号输入到脉搏波信号平滑滤波模块72。所述单片机优选地为C8051F020，脉搏波模拟信号预处理模块6的输出端连接到单片机C8051F020的模拟输入端18号引脚进行模/数转换。

脉搏波信号平滑滤波模块72，将脉搏波数字信号进行数字滤波，根据脉搏波的频率特点，它的频率主要集中在0.1到8Hz之间，为了滤除工频及其他电磁干扰，将信号通过一个低通滤波器，经过滤波后的脉搏波去除了杂波等电磁信号的干扰，采集来的脉搏波在被处理后，波形比较平滑，同时波形的形状与幅值基本没有改变，经过脉搏波信号平滑滤波模块72滤波后的信号传输到心率计算模块73，进行心率计算。

心率计算模块73，把采集到的连续脉搏波信号，按单个完整周期的脉搏波波形进行分离，采用五点差分阈值法来寻找脉搏波波形的起始点，提取单波，算出脉搏波波形的极值点和周期，便于心率及心血管参数的计算，同时将脉搏波信号及计算出的心率数据传送至信号存储模块74和液晶控制模块75中。

在信号存储模块74中对脉搏波信号和心率数据进行存储，并可通过通讯模块9中的SD卡接口将脉搏波信号及心率参数储存到SD卡中，信号存储模块74的输出端与通讯模块9的输入端相连。

脉搏波信号及计算出的心率数据通过液晶控制模块75，定义关键字、编写相关子程序、调用子程序、实现对液晶的控制和显示，液晶控制模块75的输出端与脉搏波信号及心率显示输出模块8的输入端相连。

脉搏波信号及心率显示输出模块8的输出端与脉搏波信号及心率数据分析处理模块7的液晶控制模块75的输出端相连，通过液晶驱动TFT-40和锁存器74F373芯片将脉搏波波形和心率数字符号显示在助力器2上表面的小型液晶显示屏5上，74F373芯片的输入端与TFT40的输出端相连，保护TFT40的正常运行。

电源供电模块4包括：可充电锂电池41和电压转换模块42，如图6所示，可充电锂电池41，保证测量过程中的电源要求，输出电压为4.2伏。其中的充电器电路采用CN3068芯片，如图4所示，该芯片内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管，当输入电压掉电时CN3068自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安，如果输入电压低过锁存，可自动再重电，并且可以用USB口或交流适配器对单节锂电池充电，所以可用一条USB数据线将可充电锂电池41与汽车内置点烟器相连，提供电源供给，CN3068芯片的TEMP和BAT端与锂电池41相连，对可充锂电池进行恒流/恒压充电，STAT1和STAT2端各连接一个LED指示灯，分别指示充电状态和充电结束状态，当充电结束时，STAT1管脚被内部开关拉到低电平，表示充电已结束，否则STAT1管脚处于高阻态，当充电器向电池充电时，STAT2管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行，否则STAT2管脚处于高阻态，可充电锂电池41的输出端与电压转换模块42的输入端相连。

电压转换模块42由BAUXX芯片和AS1117芯片组成，可充电锂电池41的输出端与电压转换模块6中的BAUXX芯片的电压输入端相连，可将4.2伏的电压升压成5伏电压，BAUXX芯片内部由基准电压源、振荡电路、比较器、PFM控制电路等构成的CMOS升压控制器，BAUXX芯片的1管脚为DND端接地，3管脚为输出电压端，其输出电压为5伏，5伏电压给所述液晶显示屏5供电。

如图5所示，通过BAUXX芯片的输出的5伏电压接入AS1117芯片的输入端3管脚，将电压降压成3.3伏，AS1117芯片的输出端2管脚分为3.3伏数字电源和3.3伏模拟电源。3.3伏电源与所述脉搏波信号及心率数据分析的处理模块7、脉搏波信号滤波电路61和脉搏波信号放大电路62的输入端相连。

如图6所示，通讯模块9的输入端与脉搏波信号及心率数据分析处理模块7的信号存储模块74的输出端相连，可将脉搏波信号和心率数据存储在SD卡中，用于SD卡与电脑端进行数据传输，将SD卡的nCD引脚与单片机C8051F020的47管脚SDINSERT端连接，SD卡的WP引脚与单片机C8051F020的88管脚SDWP端连接,SD卡的DAT0引脚与单片机C8051F020的59管脚MISO端连接,SD卡的CLK引脚与单片机C8051F020的60管脚CLK端连接,SD卡的CMD引脚与单片机C8051F020的58管脚MOSI端连接,SD卡的CD/DAT3引脚与单片机C8051F020的46管脚SDCS端连接。

一个完整的脉搏波的波形包含如图7所示的几个主要部分，通过查找波形的起点O和终点O’，利用周期T计算心率。

Claims (8)

1.一种可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，包括：

用于实时监测脉搏波信号的光电传感器（3）；

配套装置，设置于方向盘助力器（2）中，所述配套装置包括电源供电模块（4）、液晶显示屏（5）、脉搏波模拟信号预处理模块（6）、脉搏波信号及心率数据分析处理模块（7）、脉搏波信号及心率显示输出模块（8）以及通讯模块（9）；

其特征在于：所述光电传感器（3）置于方向盘套（1）的表面，当驾驶员手握方向盘驾驶时，左手食指恰可接触到所述传感器（3）且不影响驾驶；

配套装置对所述传感器检测得到的信号进行处理并显示在所述液晶显示屏（5）上；其中，光电传感器（3）采集到检测驾驶员的脉搏波信号，并将脉搏波信号传送到脉搏波模拟信号预处理模块（6）中，对采集到信号进行滤波、放大处理，再将预处理后的脉搏波信号传输到脉搏波信号及心率数据分析处理模块（7），对脉搏波信号进行数字处理，计算出心率数据，然后分别通过脉搏波信号及心率显示输出模块（8）和通讯模块（9）实现对脉搏波信号和心率数据的显示和通讯。

2.如权利要求1所述的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：在方向盘回正的状态下，即车轮无偏角时，所述传感器（3）设置于方向盘套的大约9点钟方向的外侧边缘，方向盘助力器（2）设置于方向盘的大约10点钟方向，液晶显示器（5）设置于方向盘力器（2）的外表面。

3.如权利要求1-2之一所述的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：所述的脉搏波模拟信号预处理模块（6）含有脉搏波信号滤波电路和脉搏波信号放大电路，对来自所述光电传感器（3）的脉搏波信号先进行滤波，后进行放大处理。

4.如权利要求3所述的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：脉搏波信号滤波电路可滤除50Hz工频干扰的脉搏波信号。

5.如权利要求4所述的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：所述的脉搏波信号及心率数据分析处理模块（7）的输入端与脉搏波模拟信号预处理模块（6）的脉搏波信号放大电路的输出端相连，对放大的脉搏波信号进行处理，设有：

脉搏波信号模/数采集模块（71），在设定的采样频率下，对脉搏波信号进行采样，并将采样到的信号转化为数字量；

脉搏波信号平滑滤波模块（72），对转化后的脉搏波数字信号进行平滑滤波，将平滑滤波后的脉搏波信号传送到心率计算模块（73）中；

心率计算模块（73），把采集到的连续脉搏波信号，按单个完整周期的脉搏波波形进行分离，算出脉搏波波形的极值点和周期，用于心率及心血管参数的计算；

信号存储模块（74），接收并存储心率计算模块（73）计算出的心率数据和脉搏波波形，并通过通讯模块（9）中的SD卡接口将脉搏波信号及心率参数储存到SD卡中；

液晶控制模块（75）接收心率计算模块（73）计算出的心率数据和脉搏波波形，对脉搏波信号和心率数据进行数字和图形的显示控制。

6.如权利要求5所述的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：所述的脉搏波信号及心率显示输出模块（8）的输入端与脉搏波信号及心率数据分析处理模块（7）的液晶控制模块（75）的输出端相连，通过液晶驱动器和锁存器将脉搏波信号和心率数据显示在液晶显示屏（5）上。

7.如权利要求3所述的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：所述的电源供电模块（4），包括可充电锂电池（41）、给所述锂电池（41）进行充电的电路以及电压转换模块（42），电压转换模块（42）将可充电锂电池输出的4.2V电压转换为5伏电压和3.3伏电压，其中，所述5伏电压给所述液晶显示屏（5）供电，所述3.3伏给所述脉搏波信号及心率数据分析处理模块（7）、脉搏波信号滤波电路和脉搏波信号放大电路供电。

8.如权利要求5所述的可监测人体脉搏波的汽车方向盘辅助装置，其特征在于：通讯模块（9）的输入端与脉搏波信号及心率数据分析处理模块（7）的信号存储模块（74）的输出端相连，所述通讯模块将脉搏波信号及心率数据进行存储和传输。

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