CN202044260U - 一种多功能心率计步器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多功能心率计步器，所述的计步器中的中央处理模块同时与输入模块、信号检测模块、MP3模块、输出模块、外接端口、电源模块六个部分相连。本实用新型采用微加速度计作为计步模块的传感器，采用基于检测体表生物电方式获得心率信号的心率传感器，同时编程加入适合不同年龄、性别、身高、体重及不同健身目的的标准跑步里程和心率参数，可将采集到用户的跑步里程、心率信息与标准参数实时比对，并通过语音和液晶实时提示用户对跑步里程及强度进行有效地控制。本实用新型还具有MP3音乐播放功能，使跑步运动更具娱乐性。

Description

一种多功能心率计步器

技术领域

本实用新型涉及一种多功能电子心率计步器，特别是能够根据不同性别、年龄段人群的不同健身目的，对跑步者的心率及里程信息实时提示，以便用户对锻炼强度进行科学的控制的多功能心率计步器。

背景技术

随着人民生活水平的提高，全民健身计划的倡导，人们的健身意识得到了很大的提高，健身作为高质量生活的一部分，越来越受到人们的重视。跑步运动是其中最常见也最为方便的健身方式，一方面对运动者的条件及设备要求最为简单，另一方面又能够使人们得到充分的锻炼。但大部分参与运动的人不能很好的根据自己需要的健身目的合理的安排自己运动量及强度，使锻炼的效率大大降低。

目前在运动健身方面的器材和辅助用品非常多，如计步器、心率计等。95101483.8号“脉搏计和脉搏计步器”发明公开了一种包含测量脉搏功能的计步器。该方案采用光电式脉搏传感器，对手指末端透光度的检测，间接测出脉搏信号，主要缺点为：一、容易受到环境光对脉搏测量准确度的影响；二、在测量过程当中，通常情况下手指和光电式脉搏传感器可能产生相对的运动，这样对脉搏测量也会产生一定误差。200720120506.1号“多功能心跳计步器”实用新型公布了一种带有显示心跳功能的计步器，该方案采用微加速度计和心跳传感器来实现计步和检测心跳功能，主要缺点为：同样采用光电式脉搏传感器。

除此之外，目前现有器件仅仅只能单独计步或心率测试，不能根据运动者的健身需求（如减肥塑身，锻炼心肺功能等）实时检测心率及运动里程，并提示用户科学地对运动强度及里程进行有效地控制，而且还普遍缺乏娱乐性。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有产品在运动中检测心率信息的种种弊端，解决不能根据不同跑步目的所需心率及里程等标准参数，通过语音及液晶显示提示用户对运动强度及里程进行合理控制，以及缺乏娱乐功能等缺点，提出了一种多功能心率计步器。该心率计步器不仅体积小，佩戴方便，成本低，采用采集体表生物电信号方式检测心率信息的心率传感器，不受环境限制准确检测跑步过程中的心率信息，而且在器件内编程加入适合不同年龄、性别、身高、体重及不同健身目的的标准跑步里程和心率参数，将采集到用户的跑步里程、心率信息与标准参数实时比对，并通过语音和液晶实时提示用户对跑步里程及强度进行有效地控制，除此之外，本使用新型还具有MP3音乐播放功能，实现运动、娱乐两不误。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

本实用新型提供一种多功能心率计步器，包括七个部分：输入模块、中央处理模块、信号检测模块、MP3模块、输出模块、外接端口、电源模块。

输入模块，包括时钟电路和各类按钮。时钟电路提供微处理器时钟和信号检测时钟，同时与中央处理模块和信号检测模块相连。各类按钮包括跑步目的选择按钮，年龄、性别、身高体重选择确认按钮，MP3功能选择按钮，开关按钮，并与中央处理模块相连；

中央处理模块，是多功能心率计步器的控制中枢，同时与其它六个部分相连。它包括微处理器、存储器、复位电路。微处理器与输入设备、信号检测模块、MP3模块、输出设备相连，实现对所需信息的采集、存储以及比对，控制输出模块进行语音提示及液晶显示，以及MP3播放功能。存储器用于存储微处理器的程序代码，不同年龄、性别、身高、体重及不同健身目的的标准跑步里程和心率参数和采集到的里程及心率信息，同时与微处理器和信号检测模块相连。复位电路实现当系统软件崩溃后自动对微处理器复位；

信号检测模块，包括计步部分和心率检测部分，分别由微加速度传感器和心率传感器组成，实现对用户跑步里程及心率信息的采集、模数转换、存储。它们与中央处理模块相连，在中央处理模块的微处理器指令控制下开始采集数据，中央处理模块的控制模块提供信息采集所需的时序信号，所采集的里程及心率数据存储到中央处理模块的存储器中，并与其中的标准参数实时比对；

MP3模块，包含存储卡和控制驱动电路，与中央处理模块和输出模块相连，实现对mp3, wma, wav, mid格式音乐播放；

输出设备，包括液晶模块、语音模块、状态指示灯和通用耳机接口，与中央处理模块相连。液晶模块用于显示跑步里程及实时的心率信息，以及配置信息；语音模块实现对比对结果不科学的里程或心率进行语音提示；状态指示灯用于显示装置当前的运行状态，包括正常状态、故障状态；耳机接口可插入耳机用于收听MP3歌曲；

外接端口，实现与外接设备的接口，包括串口和USB接口，与中央处理模块相连。通过串口和USB接口都可以实现与计算机的连接，计算机可通过串口实现对装置的在线测试维护，USB接口实现对MP3歌曲管理等；

电源模块，给心率计步器提供电源，同时与其它六个部分相连。

本实用新型一种多功能心率计步器的运行过程是：

1.    用户佩戴好该心率计步器并上电开启，使用输入设备的跑步目的选择按钮，年龄、性别、身高体重选择按钮，设置好用户所对应的各项参数，并使信号检测模块进入检测状态；

2.    信号检测模块中的计步部分连续记录佩戴者的跑步里程信息，并储存到中央处理模块的存储器中；信号检测模块中的心率检测部分按照程序预设，每隔一定时间检测佩戴者目前的心率信息，也存储到中央处理模块的存储器中；

3.    中央处理模块的微处理器对所检测到的信息与佩戴者选择健身目的所需的标准跑步里程和心率参数进行实时比对，如果所测信息在标准范围内，则继续进行第2步；

4.    如果不在标准范围内，则表示目前的跑步运动强度或里程有不合理情况。本心率计步器将同时进行以下操作：（1）如果所测心率值高于标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示佩戴者适当降低跑步速度；（2）如果所测心率值低于标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示佩戴者适当提高跑步速度；（3）如果跑步里程超过标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示应当停止运动适当休息；

5.    在进行第4步操作的同时，信号检测模块仍进行信号检测，并通过微处理器进行实时比对；

6.    如果所测信息在标准范围内，则输出设备的语音模块和耳机停止发出告警告音、液晶模块停止文字提示；

7.    在整个过程中，佩戴者可随时选择播放MP3，如有警告提示音时会自动中断音乐播。

本实用新型一种多功能心率计步器，通过外接端口的串口和USB接口都可以实现与计算机的连接，计算机可对本心率计步器进行操作维护，包括相关参数设置，如警告音提示种类方式，MP3歌曲的添加或删除。

本实用新型具有的有益效果是，采用微加速度计作为计步模块的传感器，采用基于检测体表生物电方式获得心率信号的心率传感器，同时编程加入适合不同年龄、性别、身高、体重及不同健身目的的标准跑步里程和心率参数，可将采集到用户的跑步里程、心率信息与标准参数实时比对，并通过语音和液晶实时提示用户对跑步里程及强度进行有效地控制。本实用新型还具有MP3音乐播放功能，使跑步运动更具娱乐性。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图。

图2为计步模块中微加速度传感器相邻采点的判断及滤波原理图。

图3为计步模块软件算法框图。

图4为计步模块电路连接图。

图5为心率传感器电路连接图。

图6为语音模块电路连接图。

图7为液晶显示模块电路连接图。

图8为本实用新型的系统软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细说明。

图1是整个系统的框图，包括：输入模块、中央处理模块、信号检测模块、MP3模块、输出模块、外接端口、电源模块。

其中输入模块，包括时钟电路和各类按钮；中央处理模块，包括微处理器、存储器、复位电路；信号检测模块，包括微加速度传感器和心率传感器组成的计步模块和心率检测模块；MP3模块，包含存储卡和控制驱动电路；输出设备，包括液晶模块、语音模块、通用耳机接口；外接端口，包括串口和USB接口。

图2是计步模块中微加速度传感器相邻采点的判断及滤波原理图。由于收集的数据包含有噪声，特别是在手臂摆动前后转切换之间，手臂摆动加速度曲线波动比较大，比如慢跑和快跑的过程。

波形表现出一定的规则，就是在一定的时间间隔内总有一个波谷，我们称这个点为“采点”（如图中的1、2、3、4点），也就是加速度最小的时刻。另外，图上C点也是波谷，但这一点是一个波动点，需排除，所以采点还必须大于一定的阈值B。“起点”称为加速度最大时刻，所以起点还必须大于一定阈值A，大于阈值A的都称为起点。微加速度计步器计步只关心状态的变化。通常地，走路的时候步与步之间的有一定的时间间隔，走快些间隔小，走慢些间隔大。如果是跑的话，人类的极限是1秒钟跑5步，也就是1步0.2秒。从起点到采点状态变化1次就是走了1步。所以，我们建立包含如下2个要素的模型：

1)     跑步过程中加速度变化在一定区间内：即在阈值A与阈值B之间；

2)     两个连续采点的时间间隔必须在200-2000毫秒之内。

图3为计步模块软件算法框图。本实用新型采用一轴最大加速度输出为有效的输出，通过双轴微加速度传感器的峰-峰值判断哪个轴输出值比较大则为有效的输出。本实用新型采用双轴微加速度计，具体判别过程为：两轴微加速度计，X轴、Y轴所检测数据通过低通滤波电路进行整流滤波，然后模数转换，按图2中所建立跑步过程中加速度变化区间及采点时间间隔，进行门限判决。将X轴、Y轴所检测有效数据进行比较，较大者则判决为有效值，进行计数。最后将所计步数转化为里程信息。

图4为计步模块电路连接图。所涉及的微加速度计可以是双轴微加速度计，也可以是三轴微加速度计。可以是数字输出，也可以是模拟输出。本实施例中选用一颗MEMSIC公司的双轴加速度传感器，型号为MXC6202G，该传感器是一种低功耗双轴加速度传感器，采用LCC封装形式（5x5x1.5mm），能检测静态加速度（重力）和动态加速度（震动等）。微处理器采用Atmel公司的嵌入式单片机，型号为ATmega16L。该传感器通过I²C总线：SAD、SCL端口分别与单片机P19、P20端口相连口。

图5为心率传感器电路连接图。本实用新型采用华科电子研究所心率传感器，型号为HKX-08a。该心率传感器是一款集模拟信号处理与数字处理技术于一体的心率传感器，通过心电电极检测人体心电信号，输出与心脏搏动同步的脉冲信号。检测部位有手心、手腕、手臂、胸部等。与微处理器ATmega16L具体连接为：检测输入端为IN1与IN2；工作频率选择端为PLS，接高为60Hz，接低为50Hz，本实用新型实施例采用了50Hz的工作频率；信号输出端为PULSE，直接接到ATmega16L单片机P33口；GND和VCC端口分别接电源地和电源输入端。

软件算法：因为心率检测分为瞬时心率检测和平均心率检测，而本实用新型能通过这两种方式检测，故有以下两种算法

1)    瞬时脉搏算法：用单片机测出两个相邻正脉冲之间的时间T（单位换算为秒）,则瞬时脉搏应该为60/T

2)    平均脉搏算法：连续测得15（10秒、6秒、4秒）秒的脉冲数为N,平均脉搏为4N（6N、10N、15N）。

由于跑步过程中采集体表生物电信号来检测心率，难免会有噪声，难免会影响到心率的采集的准确性，故本心率计步器采用平均脉搏算法，即连续采集15秒，然后得到每分钟的平均心率，这样可以减少噪声带来的影响。

图6为语音模块电路连接图。本实用新型采用语音芯片SC020B组成语音模块。该语音模块可通过USB拷入语音信息的源文件，最大能存储700组语音数据，能播放在3K到24K之间的常用编码率的语音数据，且可以直接驱动扬声器；具有stand-alone、serial trigger mode以及CPU command mode三种工作模式可选，本实用新型中选用了CPU command模式。连接图所示，TG1为语音片段选择端，TG2为复位端，TG11为忙信号端，分别与ATmega16L单片机的P13、P14、P15端口相连。PWM2/ADC端口与三极管8050相连，通过三极管8050驱动扬声器，该三极管的工作频率为150MHz，完全能满足语音信息的放大；LED1用于显示芯片是否正常工作。

图7为液晶显示模块电路连接图。本实施例中液晶屏采用Nokia公司的5510型液晶屏，该液晶是一块CMOS的48x84点阵液晶，所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD 电压及偏置电压发生器，只须很少外部元件且功耗小；采用串行总线的方式与主控器通信。具体连接为：LCD-5510的VDD端口与电源相连，VOUT端接地，CLK、DIN、OSC、GND端口分别与ATmega16L单片机串行接口CON8中的CLK、DIN、VCC、GND端口相连。

图8为本实用新型的系统软件流程图。以下为该流程的详细说明：

用户佩戴好该心率计步器并上电开启，使用输入设备的跑步目的选择按钮，年龄、性别、身高体重选择按钮，设置好用户所对应的各项参数，并使信号检测模块进入检测状态。

信号检测模块中的计步部分连续记录佩戴者的跑步里程信息，并储存到中央处理模块的存储器中；信号检测模块中的心率检测部分按照程序预设，每隔1分钟检测一次佩戴者目前的心率信息，每次检测20秒，也存储到中央处理模块的存储器中；中央处理模块的微处理器对所检测到的信息与佩戴者选择健身目的所需的标准跑步里程和心率参数进行实时比对，如果所测信息在标准范围内，则继续进行心率检测、存储及比对；如果不在标准范围内，则表示目前的跑步运动强度或里程有不合理情况。本心率计步器将同时进行以下操作：（1）如果所测心率值高于标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示佩戴者适当降低跑步速度；（2）如果所测心率值低于标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示佩戴者适当提高跑步速度。

信号检测模块中的计步模块按照程序预设，将一直对跑步过程中的里程信息进行采集，如果跑步里程超过标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示应当停止运动适当休息。

在提示应当停止运动适当休息的同时，将由用户选择是否继续重新进行锻炼，如果选择继续则重复上述整个过程；如果选择不继续，则信号检测模块停止工作。

在整个过程中，佩戴者可随时选择播放MP3，如有警告提示音时会自动中断音乐播放进行语音提示。

上述实施例仅为说明本实用新型而例举，并非用于限制本实用新型，任何基于上述实施例的等同变换，均应在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多功能心率计步器，包括输入模块、中央处理模块、信号检测模块、MP3模块、输出模块、外接端口、电源模块；其特征在于：

输入模块，包括时钟电路和各类按钮；时钟电路提供微处理器时钟和信号检测时钟，同时与中央处理模块和信号检测模块相连；

中央处理模块包括微处理器、存储器、复位电路，是多功能心率计步器的控制中枢，同时与其它六个部分相连；

微处理器与输入设备、信号检测模块、MP3模块、输出设备相连，控制输出模块进行语音提示及液晶显示，以及MP3播放功能；

复位电路实现当系统软件崩溃后自动对微处理器复位； 

信号检测模块，包括计步部分和心率检测部分，实现对用户跑步里程及心率信息的采集、模数转换、存储；它们与中央处理模块相连，在中央处理模块的微处理器指令控制下开始采集数据，中央处理模块提供信息采集所需的时序信号，所采集的里程及心率数据存储到中央处理模块的存储器中；

MP3模块，包含存储卡和控制驱动电路，与中央处理模块和输出模块相连，实现对mp3, wma, wav, mid格式音乐播放；

输出设备，包括液晶模块、语音模块、状态指示灯和通用耳机接口，与中央处理模块相连；

状态指示灯用于显示装置当前的运行状态，包括正常状态、故障状态；耳机接口可插入耳机用于收听MP3歌曲；

外接端口，实现与外接设备的接口，包括串口和USB接口，与中央处理模块相连；

通过串口和USB接口都可以实现与计算机的连接，计算机可通过串口实现对装置的在线测试维护，USB接口实现对MP3歌曲管理等；

电源模块，给心率计步器提供电源，同时与其它六个部分相连。

2.根据权利要求1所述的一种多功能心率计步器，其特征在于：所述输入模块的按钮包括跑步目的选择按钮，年龄、性别、身高体重选择确认按钮，MP3功能选择按钮及开关按钮，并与中央处理模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种多功能心率计步器，其特征在于：所述中央处理模块中的存储器用于存储微处理器的程序代码，不同年龄、性别、身高、体重及不同健身目的的标准跑步里程和心率参数和采集到的里程及心率信息，同时与微处理器和信号检测模块相连。

4.根据权利要求1所述的一种多功能心率计步器，其特征在于：所述信号检测模块中的计步部分和心率检测部分，分别由微加速度传感器和心率传感器组成，用于实现对用户跑步里程及心率信息的采集、模数转换，它们与中央处理模块相连。

5.根据权利要求1所述的一种多功能心率计步器，其特征在于：所述中央处理模块的微处理器对检测模块所测信息与不同年龄、性别、身高、体重及不同健身目的的标准跑步里程和心率参数进行实时比对，超过标准范围，则表示有不合理的运动情况；发生不合理运动情况后，输出设备设置有如下应对措施：所测心率值高于标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示佩戴者适当降低跑步速度；所测心率值低于标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示佩戴者适当提高跑步速度；跑步里程超过标准参数，则输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字提示应当停止运动适当休息。

6.根据权利要求1所述的一种多功能心率计步器，其特征在于：所述输出设备的语音模块和耳机发出警告音、液晶模块文字可以通过外接端口的串口连接计算机进行更改，还可以增加新的警告音及文字提示。

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