方案一：利用AT89C51作為主控制器，AT89C51是低功耗，高性能的CMOS8位單片機，其優點是使用方便，應用范圍廣，控制簡單，價格相對便宜，缺點是需外加ADS1118進行AD采樣，ADS1118是一款高精度的低功耗16位模數轉換器（ADC），集成了可編程增益放大器（GPA）、電壓基準、振蕩器和高精度溫度傳感器，其數據轉換率最高可達每秒860次采樣才能滿足題目要求，同時增加了硬件和軟件的難度，且處理速度稍慢，精度不高。

方案二：利用STM32F103微處理做內核，STM32是一個低功耗，高性能32位單片機，在功耗方面，該單片機具有三種模式相互切換，可以使功耗達到最低。具有32位的RISC內核,工作頻率為72MHz ,內置高速存儲器,豐富的增強I/O端口和兩條APB總線的外設,采用STM32內部的12位ADC就可滿足題目要求,內部12位ADC是一種逐次逼近型模擬數字轉換器，它有高達18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描、或間斷模式執行，ADC采樣存儲在16位寄存器中。其優點為精度高，外部電路簡單，軟件編程簡潔價格實惠，性能指標優良。

綜上所述，微處理器選擇STM32。

方案一：使用三軸加速度傳感器LIS3DH檢測被測者的運動步數及距離，該芯片具有超低耗，可實現高級節能，智能睡眠喚醒以及恢復睡眠功能，特點是測試可以帶溫度，具有三軸數字輸出功能，精度高，穩定性好，尺寸小，功耗低等。

方案二:采用9軸運動處理傳感器MPU6050作為加速度傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，設置加速度計可測范圍為土16g。其特點是低功耗、尺寸小、自帶數字溫度傳感器，精度高，9軸運動處理功能等。

考慮到人在運動中會改變運動方向，不確定方向較多，且MPU6050性能指標好，性價比高，因此在本次設計中選用MPU6050。

如今應用較為廣泛的近距離無線傳輸通信技術有藍牙技術、藍牙等，各種近距離無線通信都有其自己的特點。

方案一：選擇藍牙傳輸模式，實現數據傳送到PC端，藍牙模塊為HC05模塊，HC05是一款主從一體，短精度，低成本的無線連接模式，可以實現語音和數據無線傳輸的開放性接口系統，通信范圍10m之內，可以達到1Mbps傳輸速率，傳輸速率高，穩定性強。

方案二：基于藍牙連接傳輸實現數據傳輸到電腦上，藍牙模塊為ESP8266,可使用5V直流供電，體積小，功耗低，支持透傳模式，丟包現象不嚴重。ESP8266可以配置成station(即client模式)，AP（即藍牙熱點模式），station+AP三種模式，同時該模塊還支持tcp傳輸，既可以配置tcp server也可以配置成tcp client�？梢詫崿F一對多模式.

在綜合考慮后，軟件編程簡單，且可使用手機端APP互聯網平臺，因此選擇藍牙進行數據傳送。

由于考慮到心電模塊在使用時要保證心電信號穩定的前提，因此心電模塊選擇STM32F103微處理做內核，考慮到無線傳輸的穩定性以及客觀因素，選擇基于藍牙的傳輸模式，在運動步數測量過程中，追求高精度以及轉身等測量效果，因此選用MPU6050。圖1為總體方案圖，

因此總體方案為采用ADS1292傳感器測量人體的心電信息;采用LMT70測量被測者體表的溫度，傳感器加外圍放大電路，經過32內部的ADC轉換進行模擬到數字量的變換，再利用STM32處理數據；采用MPU6050作為加速

度傳感器用于測量人的運動信息;最終以STM32F103ZET6單片機作為主控制器，將采集到的數據送到微處理器中進行處理；并利用藍牙無線通信技術，將實時數據發送到服務器電腦上，顯示體表溫度、基本心電信號，運動步數及距離的顯示。

ADS1292R是低功率、多通道、同時采樣、具有集成可編程增益放大器(PGAs)的24位deltasigma (E)模數轉換器(ADCs)。該芯片集成了各種特定于心電圖的功能，非常適合可伸縮的心電圖、運動和健身等應用程序。該設備還可以用于高性能、多通道數據采集系統，通過降低ECG特定電路的電源。ADS1292R具有高度可編程多路復用器，可用于溫度供應、輸入短和RLD測量。此外，多路復用器允許將任何輸入電極編程為患者參考驅動器。設備中的ADC提供從125SPS到8 kSPS的數據速率。與設備的通信是使用一個兼容spli的接口完成的。該設備提供了兩個通用用途的I/O (GPIO)引腳，使用啟動引腳可以同步多個設備。

在心率測量時，AD采樣取心電圖的最高值和最低值，求一段時間內心電圖采樣的平均值，取在一段時間內概率最大的最高值和最低值，采用計數器和寄存器計算出心率一個周期內的心跳值，求其平均值并通過藍牙傳輸到手機端進行實時顯示。

ADS1292采樣點并進行實時數據發送到云平臺，經過曲線顯示，繪制出心電圖。下圖1位ADS1292內部原理圖。

LMT70是一個超小，高精度低功率CMOS模擬溫度傳感器，它包括一個輸出開關，由數字輸入的T控制。輸出開關使多路復用到一個ADC輸入，從而擴展

ADC輸入多路復用器的能力該溫度傳感元件由簡單堆疊的BJT基發射極結組成，這些基發射極結由電流源偏壓。在連接到輸出開關之前，溫度傳感元件由一個精密放大器緩沖。輸出放大器有一個簡單的AB類推拉輸出級，使器件能夠容易地源和匯聚電流。LMT70功能框圖如下圖1所示。

(1)計算坡度：

                （式1）

(2)計算y截距b:

                            （式2）

(3)計算在20°C至30°C范圍內測量的溫度()的公式為:

                                    （式3）

由上述計算可以看出，TM的單位為℃，VTAO的單位為V。

采用MPU6050六軸傳感器作為信號檢測元件。MPU6050并不單單是一款傳感器，其內部還包含了可以獨立完成姿態解算算法的處理單元。MPU6050內部集成的處理單元DMP，可以直接運算出四元數和姿態，而不再需要另外進行數學運算。數字運動處理器DMP的使用大大簡化了運動信息的代碼設計。由DMP實現姿態解算算法將單片機從算法處理的壓力中解放出來，單片機所要做的是等待DMP 解算完成后產生的外部中斷，在外部中斷里去讀取姿態解算的結果。這樣單片機有大量的時間來處理諸如電機調速等其他任務，提高了系統的實時性。在該系統中，只用X軸進行步數的采集。

MPU6050傳感器的檢測軸如圖3所示，圖中標明了傳感器的參考系坐標以及三個測量軸和旋轉方向，旋轉的正向可以用右螺旋法則來確定。

圖5為ADS1292內部集成右腿驅動（RLD），外部只需設計簡單的電路便可以設計成右腿驅動電路，下圖為ADS1292芯片手冊上的推薦電路，至此RLD電路便完成，RLD電路設計的目的是降低ECG系統的共模干擾，提供了一個電壓抬升，將測量電壓抬升到（AVDD+AVSS）/2左右，保證了輸入電壓是在芯片的檢測范圍內通過配置可將任意一路輸入連接在右腿驅動電路中，形成負反饋。

圖5為心電檢測的濾波電路。由于心電信號一般在100Hz下，對于高頻的檢測呼吸的方波是可以通過ADS1292R里面EMI電路濾掉的，在該模塊中，呼吸與心電檢測可同時進行。

1292整體設計電路如下圖所示

因為LMT70在20℃到50℃為基本線性區域，對應的電壓值為991~838mV，為增大分辨率，將電壓值通過基準電壓和放大電路轉換成0~3.3V輸出，再根據實際輸入電壓與放大后的電壓值進行比較，求出相對應的溫度，然后通過藍牙傳輸到手機端的 手機端APP平臺。圖9為電壓放大電路。

步頻測量：由于人體運動時四肢擺動會產生加速度，故通過6050六軸傳感器測量產生在四肢上的加速度。經測量比較運動時腿部腳踝處加速度較為穩定。在空間中XYZ三個方向上，腿的前后擺動使得X軸方向上加速度變化量最大，波形明顯，便于測量與觀察,。波形為類正弦波。理論上測量正弦波頻率即可測得步頻。為了削弱噪音干擾，通過算法實現波形整形，可有效讀取正弦波的波形周期與頻率。

運動距離測量：運動方向可由6050傳感器XYZ軸三個角度融合為歐拉角得出。加速度方向與大小可由三個方向的加速度向量相加得出,三軸整合可以求出是否轉彎等細節問題。但是若用此方法測得運動距離涉及到大量復雜的公式計算。由生活經驗可知，不同年齡，性別，身高的被測人員，在步頻不同的情況下均有不同的步幅長度。故方法改進為：通過測量不同的步頻，以及輸入被測者的年齡性別身高等數據；乘以測量步數即可獲取被測者的運動距離。

該系統總共包括以下幾個部分，心電圖的數據采樣存數組ANU_BUFF中，心率采樣，溫度采樣，步數采樣，步長計算等數據通過無線傳輸到電腦上，并將心電圖顯示在電腦屏幕上。圖9為系統軟件框圖。

心電采集通過單片機編程實現，如圖所示STM32單片機軟件流程圖，在主函數中通過開關機判斷，8055藍牙配置，ADS1292配置一系列初始化設計，等待腳，然后單片機通過I2C讀取轉換后的數據并進行存儲，通過UART發送到藍牙串口模式，藍牙串口模塊將各個數據發送帶主藍牙 進行數據接收，從而完成心電采集與無線傳送功能

圖 12STM32軟件流程圖                圖 13LMT70核心算法流程圖

溫度代碼

心電采集代碼

運動量統計算法

使用心電信號模擬儀SKX-2000模擬輸出人體的標準心率，設置的心率范圍為10-200bpm，輸出的信號幅度固定，有15秒的數據緩沖處理時間，測試數據如下表所示：

輸出實時心電圖如下圖所示

人體正常心率為60-100bpm,測試中輸入50-180bpm的心電信號均能正常測量且相對誤差在允許范圍之內，通過測量以及誤差計算可以發現心電頻率測量值在誤差范圍之內，且能通過服務器端實時顯示動態心電圖，符合題目要求。通過測試及誤差計算可以發現心電頻率測量值在誤差范圍內，但不能在服務器中顯示。

用MATLAB進行數據擬合后，發現在20℃到50℃時呈一次線性關系，通過擬合可以看出斜率為-9.17，與Y軸截距為50.48。如下圖所示：

實際測量人體的溫度，多人測量手掌心，跟水銀體溫計相比，誤差范圍在1℃。

由上述表中可知，溫度值與電壓值基本成線性關系，后期采用多人測溫與溫度計比較時，溫度誤差范圍小于1℃，滿足題目要求。

4.3.2測試結果分析

這款無線運動傳感器采用ADS1292芯片及外圍電路實現使用者心電圖的采集計算出心率，采用LMT70芯片及LM358放大電路實現微弱信號的采集與處理，再利用MPU6050實時測量使用者的步數及步長，將數據采集好之后用藍牙將數據傳送到 手機端APP平臺。

在該過程中，硬件可以實現微弱信號的穩定輸入，減少干擾，軟件可實現AD采樣，數據信息的采集、處理、保存以及傳輸，用戶也可以在手機端或手機端平臺訪問并查看歷史數據。

未來也可以提高步數的精度，做成可攜帶穿戴柔性，因為ADS1292是六維的，未來可以運用在運動員身上，或者用于老人身上來觀察他們的生理指標，以防老年人發生意外事故。

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