一种太阳能充电智能心率监测骑行仪

周荣钻 谭福明 孙晓娜 吴思平 付书媛

摘  要：本设计为一款用于骑行的智能辅助装备，可增加骑行者在骑行过程中的乐趣以及提高骑行者的骑行体验，达到人机交流，互通的目的。该系统核心为STC89C52单片机，采用模块化设计，多功能相结合。集速度，里程测量，时间显示，心率监测，夜间照明和太阳能充电于一体，当骑行者身体超负荷时，仪器会发出警报，提醒骑行者注意休息。

关键词：心率监测;STC89C52单片机;太阳能;骑行监测;心率监测

引言

自行车作为曾经的一种重要的交通工具，如今在人类社会中更多的是扮演着一种帮助健身的器材，目前骑行作为一项重要的健身方式，在当今信息大爆炸的时代，不能仅局限于传统的简单骑行，骑行装备应具备一定的信息可视化能力，能够为骑行者减轻骑行负担和潜在风险，增加骑行乐趣。

1 系统总体设计

本设计系统采用模块化设计的思路，把系统相关的各部分独立出来，各项硬件以STC89C52单片机为核心，主要包括液晶显示模块（liquid crystal display，LCD），多个传感器数据采集模块，太阳能电池板，锂电池，高亮灯，蜂鸣报警器。数据采集传感器包括霍尔传感器，光敏电阻，光电传感器。各项数据经传感器收集，由STC89C52单片机处理后将骑行速度，里程，骑行者心率数据显示在屏幕上。使骑行者能便捷的在一块屏幕上获得其所需要的各项数据，以便对自己的骑行质量和状态做一个比较全面的自我评估。系统结构如图1所示

2系统硬件设计

2.1速度模块

对于骑行过程中速度的测量，由靠固定在车轮辐条上和前叉上的磁铁感应头感应现实现。考虑到经济性和便携性等方面的要求，本仪器使用的是A3144E霍尔电压型传感器，在骑行过程中，车轮辐条上的磁铁，感应在自行车前叉上的对应的霍尔元件，当磁铁和霍尔原件重合时，就会产生相应磁场，此时霍尔元件会有电流流出，以此来计算车轮单位时间内转所转的圈数，再由先前通过测量得到的车轮周长，通过按键设置输入到系统中，就可以算出当前骑行者的行驶速度。

2.2心率

设计采用光电传感器进行信号采集。其工作原理是利用光电传感器对红外光线的透射和反射强度的不同来反应骑行者心率的变化。心率监测模块由光发射器，低通滤波器和光接收器组成。由于进入到皮肤组织的绿光（500nm）大部分会被红细胞吸收，所以光发射器采用绿光发光二极管（light emitting diode，LED）。骑行者将心率传感器戴在手腕上，当每一次心脏收缩进行跳动时，会改变血管里的血流量，进而引起血液饱和度的变化，此时由仪器发出的绿光也会被改变反射强度，其强度与心脏跳动的频率相对应。利用低通滤波器过滤高频信号，然后再通过放大电路进行放大，使得放大后的信号能有效的被单片机识别。若此时监测到的心率大于骑行者设置的初始值，蜂鸣器将发出警报，提醒骑行者注意休息。

3软件设计

3.1速度计算方法

测量运动物体的速度方法很多根据统计的脉冲数目来进行测速，其方法主要有M方法（测频法），T方法（测量周期法）和MPT方法（频率周期法）这三种方法。本系统采用M方法（测频法）。因为在行进过程中，车轮每转一圈，车轮辐条上的永磁体就会和固定在自行车前插臂上的磁铁感应头感应，霍尔传感器会输出与车轮转速成比例的脉冲信号。设V为自行车在行进过程中的车速;T为车轮在单位时间内产生的脉冲数;M为车轮外壁的周长，则脉冲信号周期数与电机的速度关系如下：

V=T×M

3.2心率计算方法

原理：心脏收缩泵血一次所产生脉搏的时间为t（秒），心率为n（次/每分钟），则n=60/t，为了更精确的计算以及减小误差，计算一段时间内连续M次的脉搏所用时间为T，则n=60M/T。利用STC89C52定时计数器每10ms中断一次，对中断后的数据进行处理，计算n。

4总结与展望

在现如今全民健身的背景下，人们越来越注重身体健康。而作为有氧健身运动的主要方式之一的骑行，是一项非常适合大众化的锻炼项目。本文所设计出的这款太阳能充电智能心率检测骑行仪，在骑行运动中做到实时检测心率，能有效的反馈出用户的健康状况，遇到突发状况能及时发出警报。同时，这款产品配有太阳能充电功能，可以使用太阳能为控制系统供电，不仅可以使骑行仪大大增加续航能力，同时在一定程度上減少能源的消耗，符合当今的可持续发展观。随着技术的发展，人们对于智能骑行装备的需求会越来越高，骑行运动的智能辅助系统在未来会具有更广阔的市场。

参考文献

[1]刘聪， 张莉萍. 骑行运动智能辅助系统设计与实现[J]. 传感器与微系统， 2019， 第38卷（1）：93-96.

[2]刘琳琳， 邱红星， 时梅林等. 基于光电传感器的便携式心率监护系统设计[J]. 影像技术， 2018， 第30卷（2）：85-88.

[3]张家盛，张加岭，禹东川，等.可穿戴式心率检测系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2015，23（2）：107-108.

[4]孙汇阳.一种基于霍尔传感器的自行车测速仪[J].福建电脑，2018，34（12）：140.DOI：10.16707/j.cnki.fjpc.2018.12.077.

[5]祝凤莲.基于DS1302的数字钟设计[J].科技广场，2012（07）：126-128.

[6]赵光晶， 赵鸣， 张友浩等. 基于STC89C52单片机的心率检测系统设计与实现[J]. 智能计算机与应用， 2021， 第11卷（5）：94-96，102.

[7]丁思发，詹清辉.基于霍尔传感器自行车测速系统的设计[J].信息系统工程，2018（07）：33-34.

[8]赵丹丹，陆 剑.基于A3144E无线测速系统设计与开发[J].自动化技术与应用，2014，33（10）：70-74.

基金项目：广西大学生创业训练项目太阳能充电智能心率监测骑行仪（项目编号：202110595286）项目成果