CN2787142Y - 便携式运动心率遥测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种便携式运动心率遥测仪，其心率检测部分由依次相连的反射式红外传感探头、前置放大电路、二阶RC滤波电路、峰值跟踪比较电路、单片机和无线数据传输模块组成；数据处理部分由无线数据传输模块和计算机组成，二部分通过无线数据传输模块进行无线数据传输。本仪器可以实现人体在运动过程中稳定、准确实时心率测量。使用者本人可以通过遥测仪上的液晶屏看到心率值，教练员可以通过掌上电脑(或普通电脑)结合心率训练软件进行心率数据保存、对比分析等功能。该心率遥测仪结构小巧，外观独特，可解决各种心律遥测仪无法在运动过程中测试人体心率的难题，可应用在各种高水平训练队的专业运动员训练以及个人锻炼中。

Description

便携式运动心率遥测仪

技术领域

本实用新型涉及心率检测装置，特别是涉及人体运动环境下的无线心率遥测，属于体育训练仪器领域，尤其是人们在运动过程中与剧烈活动后的无线心率遥测仪器。

背景技术

心率与人体的机能活动状态以及代谢活动密切相关，并已经成为科学评价和监控体育锻炼效果的简便易行的手段。表面上看来，心率似乎仅仅反映了每分钟心脏跳动的次数，但实质上，它是综合反映体内各种生理变化的一扇“窗口”，透过它，可以比较准确地描述身体机能对运动刺激的即刻反应或者慢性适应。研究已经证实，心率与运动强度、摄氧量与能量代谢之间存在着显著的线性关系，尤其当心率变化范围介于110～180T/min区间时。换而言之，在递增负荷运动直至次最大负荷运动中，随着负荷强度逐渐加大，随能量代谢需求越来越高，摄氧量越来越高，心率也会越来越高。所以随着运动强度的变化，心率也发生相应的变化。这时若通过实时监控掌握运动者心率的动态变化，等于源源不断地将机体对运动负荷发生反应的生物反馈信息及时传送出来。借助心率提供的信息，便可对运动强度随时进行调整，达到理想的锻炼效果。

鉴于心率指标在体育训练中的重要作用，从70年代中期至今人们一直致力于适合运动员使用的心率测量仪器的开发，在该领域先后有三份专利文献公开，它们都朝这方面努力并取得了一定的效果，但是还存在一定的问题。《心率遥测接收机》(CN1047445A)采用心音探测，分离心跳音响，然后调制发射心率副载波音响，接受端计数显示。该电路过于简单，抗外界干扰能力较差，易自激啸叫，灵敏度也不高。《微型二次调制式心率遥测仪》(CN2078598U)采用压力探测器和两次调制发射，在测量过程中压力传感器需要和测量部位(如桡动脉)保持相对位置稳定，而在运动过程中由于身体的大幅度摆动中容易脱离测量部位和引入外界干扰，且其两次调制装置也使整个系统电路复杂、体积较为庞大。《心率检测装置》(CN1582847A)采用电极导联在胸前进行测量，此种装置由于上衣与电极的摩擦，以及人体运动胸大肌的收缩与伸张和汗液的影响，使得皮肤与电极不能有效地接触，从而影响测试精度，该装置增加发射机后易对人体运动有妨碍作用，影响运动员正常水平的发挥，故仅将测量数据存储在存储器中，无法实时遥测。以上设计还存在难以抗人体肌体运动干扰，设备复杂庞大等缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种便携式运动心率遥测仪，该心率遥测仪具有电路精炼、稳定性好和仪器便携小巧的特点。

本实用新型提供的便携式运动心率遥测仪，包括心率检测部分和数据处理部分，其特征在于：心率检测部分由依次相连的反射式红外传感探头、前置放大电路、二阶RC滤波电路、峰值跟踪比较电路、单片机和第一无线数据传输模块组成；数据处理部分由第二无线数据传输模块和计算机组成，心率检测部分和数据处理部分之间通过第一、二无线数据传输模块、进行无线数据传输；反射式红外传感探头从人体探测心率信号并将信号传输至前置放大电路；前置放大电路将心率信号进行高增益放大，传送给二阶RC滤波电路；二阶RC滤波电路将放大后的心率信号进行低通滤波，滤除背景噪声，滤波后的心率信号发送至峰值跟踪比较电路；峰值跟踪比较电路对滤波后的心率信号进行峰值跟踪比较，将心率信号转化成脉冲数字信号，传送给单片机；单片机对心率的脉冲数字信号进行处理，计算出心率脉宽周期并显示结果，通过第一、二无线数据传输模块、接收计算机的请求，向计算机发送实时心率数据信息；计算机用于对心率数据的进行统计分析，并接收请求后通过第一、二无线数据传输模块、发送给单片机。

作为本实用新型的进一步的特征，峰值跟踪比较电路的结构为：二阶RC滤波电路的输出信号分二路接入运算放大器IC2B，其一路经电阻R串接到运算放大器IC2B“-”端，另一路串接电阻R、R到运算放大器IC2B的“+”端相连，电阻R、R中间节点接有电容C到地线，运算放大器IC2B的“+”端与输出端之间串接有电阻R，输出端与单片机的中断引脚之间串接有R、并接有稳压管D到地线。

本实用新型采用了反射式红外传感器，设计了自动跟踪峰值比较电路，并结合人体工程学模具设计方法进行了独特模具设计，将传感器、调理电路、微控制器、无线发射机、电池电源有机地装配在一起，电路精炼、稳定性好、仪器便携小巧；不仅将测量心率数值显示在遥测仪的液晶屏上，同时还将心率数据通过无线数传发送回心率分析平台(掌上电脑或普通电脑)，结合配套的心率分析训练软件能够对多名运动员同时进行遥测，以及相应的数据统计分析，并还能结合训练软件对运动员进行现场提醒、矫正，在一定的训练领域有良好的应用效果。本实用新型可以通过软件实现同时对多个心率遥测端进行遥测，同时监测多个运动员的心率信息。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中心率检测部分的一种具体实施方式的电路原理图；

图3为单片机的处理流程图；

图4为计算机的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型由心率检测部分9和数据处理部分10两部分组成。心率检测部分9由反射式红外传感探头1、前置放大电路2、二阶RC滤波电路3、峰值跟踪比较电路4、单片机5和第一无线数据传输模块6组成。数据处理部分10由第二无线数据传输模块7和计算机8组成。

反射式红外传感探头1从人体(如手指)探测心率信号并将信号传输至前置放大电路2。

前置放大电路2接收从反射式红外传感探头1探测的心率信号进行高增益放大，然后再传给二阶RC滤波电路3。

二阶RC滤波电路3将放大后的心率信号进行低通滤波，滤除背景噪声，滤波后的心率信号送送至峰值跟踪比较电路4。

峰值跟踪比较电路4对滤波后的心率信号进行峰值跟踪、比较，将心率信号转化成脉冲数字信号，传送给单片机5。

单片机5对心率的脉冲数字信号进行处理，其流程图如图3所示，计算出心率脉宽周期并将心率结果显示在液晶屏上，同时根据计算机8的请求向计算机8发送实时心率数据信息，以供进一步心率软件分析。单片机5可以采用单片机实现。

第一无线数据传输模块6、第二无线数据传输模块7负责单片机5和计算机8之间的无线数据传输。

计算机8上安装有心率处理分析软件，其流程图如图4所示，对心率数据进行进一步的统计分析：实现心率数据的保存、心率区间统计分析、实时心率曲线与数据库对比分析，自动提示等功能，并负责接收和发送请求给单片机5。计算机8可以是个人数字助理(PDA)或PC机。

图2所示，反射式红外传感探头1由集成反射式红外传感器U1与电阻R1、R2组成，并与电源+3.3V相连。反射式红外传感探头1探测到的微弱心率信号通过耦合电容C1输入到前置放大电路2的仪表放大器IC1的“+”端，IC1的增益设置引脚端、“+、-”端分别接一个电阻R4、R3，IC1的“-”端接地以及正负电源引脚端分别接+3.3V和-3.3V。微弱心率信号经前置放大电路2高增益放大后进入二阶RC滤波电路3进行低通滤波，前置放大输出信号经串接电阻R5后分两路接入运算放大器IC2A，一路经电容C3接到IC2A的输出引脚端，另一路经电阻R6接入IC2A的“+”端，“+”端串接一个电容C2到地线，信号输出端串接一个电阻R8到“-”端，“-”端经一个电阻R7到地线。心率信号经二阶RC滤波电路3后滤去了背景噪声等干扰信号，进入峰值跟踪比较电路4，滤波后信号分两路接入运算放大器IC2B，一路经电阻R10串接到“-”端，另一路串接两个电阻R9、R11到“+”端，两电阻中间中间节点接一个电容C4到地线，“+”端串接电阻R12到IC2B输出端，输出端串接一个电阻R13到单片机(如微控制器)中断引脚，同时接稳压管D1到地线。峰值跟踪比较电路4自动跟踪心率波形峰值并将其转化成脉冲数字信号。

在具体实现中，可以采用含有两个运算放大器单元的芯片，即芯片IC2包含运放单元IC2A和IC2B，IC2A和IC2B两个单元功能完全一样，IC2A作为IC1中的第一运算放大单元，IC2B作为IC1中的第二运算放大单元。

心率波形信号经脉冲数字化后送入到单片机5，由单片机U2来统计心率脉宽周期并计算出心率数值显示在液晶屏上。单片机5由单片机U2、时钟电路I、复位电路II、程序下载接口III、液晶显示电路IV、LED指示器V，蜂鸣器VI组成。单片机U2、时钟电路I、复位电路II和程序下载接口III构成单片机正常工作的最小系统；液晶显示电路IV连接单片机的数据端口DB0~DB7，由单片机控制显示心率数值；LED指示器V由两个LED指示灯D2、D3组成，D2指示探测到的心率脉冲，随心脏搏动而不断闪烁，D3则随第一无线数据传输模块6发送而闪烁；蜂鸣器VI则给出声音报警提示。第一无线数据传输模块6将单片机送来的心率数据发送回到数据处理部分10供数据保存、分析。第一无线数据传输模块6(即U5)采用了微功率无线数传模块。

数据处理部分10中的第二无线数据传输模块7将接收到的心率数据通过串口传至计算机8。在其上结合独立开发的心率分析软件可以完成数据保存、心率区间统计分析、实时心率曲线与数据库对比分析、自动提示报警等功能。

图2中，主要元器件可以采用的型号及参数为：U1：发射式红外传感器ST188；IC1：仪表放大器AD620；IC2：通用双运放NE5532；U2：单片机AT89S51，U5：华奥通UM系列微功率无线数传模块。

Claims (2)

1、一种便携式运动心率遥测仪，包括心率检测部分和数据处理部分，其特征在于：心率检测部分(9)由依次相连的反射式红外传感探头(1)、前置放大电路(2)、二阶RC滤波电路(3)、峰值跟踪比较电路(4)、单片机(5)和第一无线数据传输模块(6)组成；数据处理部分(10)由第二无线数据传输模块(7)和计算机(8)组成，心率检测部分(9)和数据处理部分(10)之间通过第一、二无线数据传输模块(6、7)进行无线数据传输；

反射式红外传感探头(1)从人体探测心率信号并将信号传输至前置放大电路(2)；前置放大电路(2)将心率信号进行高增益放大，传送给二阶RC滤波电路(3)；二阶RC滤波电路(3)将放大后的心率信号进行低通滤波，滤除背景噪声，滤波后的心率信号发送至峰值跟踪比较电路(4)；峰值跟踪比较电路(4)对滤波后的心率信号进行峰值跟踪比较，将心率信号转化成脉冲数字信号，传送给单片机(5)；单片机(5)对心率的脉冲数字信号进行处理，计算出心率脉宽周期并显示结果，通过第一、二无线数据传输模块(6、7)接收计算机(8)的请求，向计算机(8)发送实时心率数据信息；

计算机(8)用于对心率数据的进行统计分析，并接收请求后通过第一、二无线数据传输模块(6、7)发送给单片机(5)。

2、根据权利要求1所述的便携式运动心率遥测仪，其特征在于：峰值跟踪比较电路(4)的结构为：二阶RC滤波电路(3)的输出信号分二路接入运算放大器IC2B，其一路经电阻R10串接到运算放大器IC2B“-”端，另一路串接电阻R9、R11到运算放大器IC2B的“+”端相连，电阻R9、R11中间节点接有电容C4到地线，运算放大器IC2B的“+”端与输出端之间串接有电阻R12，输出端与单片机的中断引脚之间串接有R13、并接有稳压管D1到地线。

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