东莞理工学院电子工程与智能化学院 黄俊业 张志坚 史顺元 梁 杰 柯子俊 陈平平

人体力量与体征测量装置

东莞理工学院电子工程与智能化学院 黄俊业 张志坚 史顺元 梁 杰 柯子俊 陈平平

本文提出一种通过测量人体不同部位的肌肉群力量、心率和生物电阻等参数来反映不同人体特性的装置。该装置以STM32为控制核心，运用电阻应变片配合特殊设计的机械结构进行力量测量，采用MAX30100和AD5933进行心率和生物电阻监测。通过不同用户的测试表明，该装置可以有效地测量人体表征的不同参数。

力量；体征；心率；生物电阻

0 引言

随着国人生活水平的日益提高，工具的日益便利，由于运动不足，长期久坐引发的健康问题，肌肉力量弱化问题，日益严重[1-3]。人体的任何活动离不开肌肉的收缩力量，它维持着人体的基础生活能力，丧失肌肉活动力量的人，生活将无法自理。

因而本文提出，一种测量三组肌肉群力量与人体体征检测的一体化电子设备，可为相关数据采集与研究提供初步的实现方案。

1 系统架构

人体力量与体征测量装置主要由STM32主控制器、三组测力模块、生物电阻测量模块、心率监测模块、电源管理所组成。主控制器控制用户测量流程，发送测量命令，使各模块开启特定的测量。

图1 测力与测体征装置系统框图

测力模块是基于电组应变片的形变测量原理，用户在特定位置发力，使得机械结构发生微小形变，电阻应变片感受微小形变，产生特定电信号经过AD转换和算法换算后，即可获知用户的发力水平。心率模块是基于MAX30100芯片，该芯片发出红光并检测反射信号，根据信号随时间的变化实现心率测量。生物电阻模块是基于AD5933芯片，连接用户双手并发送特定频率的电信号，测得用户左手通过身体到右手的生物电阻。

主控采用ST公司所推的STM32F407VET6，该芯片内核为Cortex™-M4，最高主频可达168MHz，同时集成了新的DSP和FPU指令，并具有多重AHB总线矩阵和多通道DMA：支持程序执行和数据并行处理，传输速度快，该芯片性能足以胜任底层传感器处理任务。主控制器通过FSMC接口控制TFTLCD的显示，将测得的数据以字符串形式发送回显示器，显示器实时通过动态图显示数据变化。

2 力量测量

2.1 电阻应变片

将工程构件上的尺寸变化转换为应变片中敏感栅的电阻变化的变换器。

国家标准中电阻应变片的阻值规定为60、120、200、350、500、1000Ω，目前传感器生产中大多选用350Ω的应变片[4-5]。普通人的发力水平一般以Kg为单位，350Ω电阻足以制作精度在0.1Kg的测力机械单元。所选电阻应变片型号为：BFH305-3AA。

现行制度的固定资产以原值在资产负债表列示，新制度要求固定资产以原值减累计折旧后的净值列示。这就是说累计折旧的数额大小将直接影响到学校的资产总额，进而影响到筹资的重要数据——资产负债率。高校的资产将会因累计折旧的计提而大大缩水，很多有巨额贷款的高校将面临着贷款到期因资产负债率过高而无法续贷。

2.2 测力结构原理

以金属弹性体变形原理和电阻应变片的应变原理为基础，即在外加力的作用下，侦测电阻应变片随金属弹性体一起形变而改变电阻值后产生的信号变化。

由于形变量极微小，同时为了测更大的力而尽量降低塑性型变的可能，选择加工性能好，韧性高的304不锈钢作为电阻应变片的弹性金属体。同时，304不锈钢适合作为外部框架的搭建。

2.3 AD转换芯片HX711

一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片，具有集成度高，响应速度快、抗干扰性强等优点。HX711的通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接，下位机直接通过读取HX711引脚信号获得惠斯通电桥的差分输入。设计中选择可编程增益大的通道A，增益选128，对应的满量程差分输入电压为±20mV。

HX711通过两线串行接口与STM32主控制通信，时钟线控制数据线传值，时钟线控制信号主控制器采集信号的时间点。

2.4 测力公式

表1

此处采用施加一组特定力后，获得数据采样点，进行曲线绘制再拟合趋势线，得出趋势线公式，再应用于STM32主控制器的计算中。

使用专业的数显测力计，对测力处分别施加5N、10N、15N、25N、40N、65N、105N的力，采集经HX711处理后的原始数据，并对采样点进行数据拟合，绘制趋势线。

图2 测力采集的原始数据的趋势线拟合图

趋势线公式为：

Y=(A–958.57)/16006 （单位：N）

将公式应用于STM32的处理算法中。

3 人体体征测量

3.1 心率测量

心率测量选择了一款集监测血氧饱和度和脉搏波速率于一体的传感器MAX30100。它包含两个发光二极管，一个光检测器。拥有光学优化和低噪声的模拟信号处理能力。MAX30100采用IIC通信协议，通过配置其中断寄存器、模式寄存器来控制其工作状态。

设置MAX30100工作在SPO2模式，AD转换精度为14位，对应的最大采样速度为400sample/s，设置红外和红光的LED典型电流为14.2mA。MAX30100工作在SPO2状态时，一个样本由4个字节组成，包含红光检测值与红外光检测值，从FIFO寄存器中读取。

人体血流反射红外光。人体食指遍布毛细血管，当血液流过时，会使红外光反射值增大。记录反射的红外光值随时间推移的变化，即可检测脉搏波的变化情况。通过检测脉搏波中极其陡峭的上升沿之间的时间间隔，即可推算用户心率大小。

3.2 生物电阻测量

选择了一款专门进行阻抗测量的芯片－－AD5933，这是一款高精度的阻抗转换器系统解决方案，片上集成频率发生器与12位、1MSPS的数模转换器[6]。AD5933通过IIC协议与STM32进行通信。其进行生物电阻测量的功能原理是：频率发生器产生特定频率的来激励外部阻抗。激励的得到的响应信号被ADC采样，ADC的输出会送到片内DFT模块进行数字处理，经离散傅里叶变换后输出其实部与虚部。

4 装置机械结构设计

力量可视化与生理体征测量一体化装置，如以上三维设计图所示，底部长为1m，宽为0.72m，装置整体高度为1.8m。该尺寸的度定，是与用户的身高和体宽作测量和参照的，当用户站在上面的测量的时候能够给予他们一种宽敞自如的感觉。装置整体较为宽大，机电部分采用扁平化的设计，背板厚度仅为12cm，让装置外观达到一种视觉均衡效果。装置在比较多的过渡处均使用圆角设计，在视觉上让这台金属装置显得较为圆润，让用户感到舒适。

该装置的最大特点是：简洁。机电部分在装置内部排布紧凑，在外部仅有一些测力装置，视觉方面简洁而大方。

图3 装置机械结构图

5 测试与总结

通过对男女共四位不同用户进行测量，验证该系统整合了测力与测生物体征的电子传感器，同时结合机械上的设计实现了功能的完整。理论上能实现多组肌肉群力量与生物体征的测量，进行相关性分析（见表1）。

[1]周思红,张亚军,岳文雨,王艳春．运动对老年人最大肌肉力量的影响特征研究[J]．南京体育学院学报(自然科学版),2016,04:26-30．

[2]齐玉刚,刘政宇,谭思洁．20～69岁人群肌肉耐力变化规律的试验研究[J]．天津体育学院学报,2016,01:69-72．

[3]赫晓慈,李国欣,高亚暄,武卫东,路玲,宁文杰,田素斋．基于自我效能理论增强养老机构老年人下肢肌肉力量的干预研究[J]．中国护理管理,2016,01:125-128．

[4]康鲁杰,杨继红．电阻应变片的选用[J]．衡器,2004,06:9-10．

[5]桑震扬．高精度电阻应变式测力传感器的弹性体设计[J]．电子测试,2016,15:19-20．

[6]李静,陈世利,靳世久．基于AD5933的阻抗分析仪的设计和实现[J]．现代科学仪器,2009,02:28-30+56．

Body Strength and signs detection device

Huang Junye，Zhang Zhijian，Shi Shunyuan，Liang Jie，Ke Zijun，Chen Pingping
（School of electronic engineering and intelligent engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan，Guangdong，523808）

A device which can refect physical signs was presented，by measuring the strength of muscle，monitoring heart rate and biological electrical，etc.This device used STM32 as core control，using resistance strain gage and setting a special mechanical structure for strength measuring，using MAX30100 and AD5933 for heart rate and biological electrical monitoring.Accordingto the tests by different users，this device can effectively measure different parameters of human body.

strength；signs；heart rate；bioelectrical resistance

黄俊业（1996—），男，广东云浮人，大学本科在读，研究方向：电子信息工程。

广东省科技计划项目（2016B090918131，2015A020214024）。

张志坚（1982—），男，广东河源人，硕士，高级实验师，主要从事嵌入式、电子测控方面的研究。