壓電傳感器的基本原理是利用壓電材料的壓電效應，一定的壓力作用會使壓電材料石英晶體的兩個極板間產生一定的電壓。沿石英晶體電軸方向施加作用力Fx時，在與電軸垂直的表面上將產生電荷：

式中，d11=2．31x10-12C／N，為石英晶體電軸方向受力壓電系數。
壓電傳感器相當于一個以壓電材料為介質的電容器。

式中，A為極板面積(m2)，h為壓電體厚度(m)，ε為壓電材料介電常數(F／m)。
采用石英晶體為壓電材料，其相對介電常數為εr,而標準介電常數為ε0，則石英晶體的介電常數為ε=εrε0。設壓電體兩極板間(沿電軸方向)承受一個大氣壓的壓力，則與電軸垂直的表面產生電荷qx=d11Fx=2．31×10-12×9．8XA，兩極板間產生電壓Ux=qx／C。壓電陶瓷片產生的電壓很小，因此在電壓信號送至后級電路處理前必須經高阻輸入級以盡量減少電荷泄放，確保獲取電壓信號的準確性。由于運算放大器通常具有極高的輸入阻抗，采用運放實現高阻輸入級，如圖4所示。

輸出電壓U0=vi×R3/R2，其中vi為壓電陶瓷片兩端電壓。根據后級電路處理要求，要放大采集的電壓信號。為濾除電壓信號中的噪聲信號，便于后級數字電路處理獲得的信號，后端電路采用20~200 Hz的帶通濾波器進一步處理信號，經施密特觸發(fā)器整形后再送人單片機計數，即可得到心率。
3．3 跑步步數測量模塊
跑步步數測量電路如圖5所示，圖中EXT1為外部時鐘源輸入。跑步或走路時，手臂擺動，水銀開關隨之通斷，通過單片機進行計數，再乘以步長，即可得到行走距離和速度。

利用人體能量消耗量與某些生理指標之間的相關性，建立數學模型得到預測公式，即可預測能量消耗量。系統根據性別、體重、身高、年齡等生理指標，采用Harris-Benedict預測公式計算能量損耗：
BEE(男)：(66．473 0+13．751 6 W+5．003 3H-6．755 OA)x4．184 0
BEE(女)=(655．095 5+9．563 4 W+1．849 6H-4．675 6A)×4．184 0
式中，BEE為基礎能量消耗；W為體重(kg)；H為身高(cm)；A為年齡(歲)。
3．4 鍵盤顯示單元
顯示單元選用128x64字符點陣液晶模塊SPLC501組件，由LCD顯示器、LCD控制板和偏壓產生電路組成。分4行顯示當前體溫值、心率、速度、行程等信息，如圖6所示。

鍵盤模塊主要用于設定初始值(包括體重、步長等)、報警值(心率、體溫等)。KEY1鍵為確定／取消功能，KEY2鍵為上調功能，KEY3鍵為下調功能。光標閃爍為設定狀態(tài)，當設定好后停止按鍵，5 s后系統自動重新開始測量，液晶顯示關閉以節(jié)省電能，為防止誤按鍵，鍵盤鎖定，按任意鍵，液晶顯示打開，按KEY1鍵一下，再按KEY3鍵兩下，再按KEY1鍵一下，鍵盤解鎖，按KEY1鍵超過2 s，進入初始值、報警值的設定。

4 軟件設計
軟件采用模塊化設計方法，由主程序及鍵盤處理、數據采集、報警、語音和液晶顯示5個子程序組成。圖7為系統主程序流程。系統上電后首先初始化，然后進行各參數的測定、顯示判斷超量報警等操作，同時檢測按鍵情況，若有按鍵按下，執(zhí)行顯示和語音播報等功能。此系統編譯環(huán)境為unSPIDE 2．6．2D，使用匯編語言與C語言混合編寫，其中中斷服務程序及液晶顯示等相關底層程序由匯編語言編寫，測量及語音播報等程序由C語言完成。鍵盤處理子程序通過定時器中斷方式調用。參數輸入采用菜單方式設定，包括步伐長度(計算行走速度及行程)，體重、性別、身高、年齡(能量消耗計算)，體溫上下限，心率上下限，行程提醒等。當測得溫度、心率超過上下限時報警；當測得行程達到行程提醒設定值時提醒。

5 結束語
經實際測量表明，此設計方案具有低成本、低功耗、操作簡單等特點。該測量儀可根據要求改變設定值，適于各年齡段人群的生理參數測量。隨著人們對健康的關注，這種多功能便攜式測試儀將會有更廣闊的應用前景。本文的創(chuàng)新點在于集人體各種參數測量與安全報警功能為一體，液晶顯示和語音播報相結合，非常人性化。