高原野战作训体能消耗测试仪制造技术

一种高原野战作训体能消耗测试仪，其特征在于测试仪的电路构成为：由ＰＩＣ单片机联接加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路、电源变换器、液晶显示器和键盘控制电路构成；电源变换电路还与加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路联接，放大检波电路两端分别联接加速度传感电路和积分比较电路。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及人体测试技术，具体地说是高原野战作训体能消耗测试仪。
技术介绍
绝大多数关于军事训练士兵运动水平评估的研究是基于人体活动自我报告式的问卷调查法。由于这种方法对于大样本具有较好的适应性。对受试者没有时间和费用的负担。直到现在，它仍是国内外应用最广泛的一种对人体运动进行评估的研究方法，这种方法的缺陷在于其对运动的记录主要依靠受试者自己的说明，受试者自身对运动频率、运动持续时间的错误回忆，以及调查者对运动强度的错误估计或科目本身的错误等都是造成这种方法误差的主要原因。而且对大量人群进行调查时，花费极大。正是由于问卷调查法的主观性强、客观性差以及准确性低等明显缺点，已越来越不适应科学、准确评估人体运动的需要。心率监测法能用来评估人体运动的原理主要是基于心率与能耗具有很高的线性关系。Meijer GA等对检测到的受试者的心率数据作回归分析后，发现心率和运动者的能耗具有较好的线性关系。Ceesay SM等认为心率和氧气摄入量在运动强度增加式的相关性达0.95以上，因而心率可以作为评估人体运动的一种客观参考指标。但是使用这种方法带来的缺陷显而易见(a)随着受试者个体的忍耐力的不同，心率和氧气摄入量的关系也在变化；(b)同一受试者的心率与氧气摄入量的关系也是上肢和下肢运动，或是静态或动态有关；(c)心率会受到很多起因素的影响，如情感状况、身体姿势以及环境因素。因此单纯记录心率的变化并不能认为是一种准确的测量人体运动和强度的方法，因此只能作为一种参考的方法。比较准确的方法是将心率监测方法与运动传感器方法结合起来，经一些学者应用多重回归分析(multiple regression analysis)对数据进行了分析。他们发现使用这种方法使相关性从0.69上升到0.82。对运动时氧气摄入量的估计也大为精确了。间接卡路里计或呼吸热量计的测定方法被认为是一种能量耗费的客观方法。它需要测定吸进的氧气数量和呼出的二氧化碳的数量。能耗是根据呼吸时气体交换比率用氧气消耗量乘以非蛋白质的热当量计算得出。这种方法具有较强的客观性，测定结果也真实可信。但这种方法必须在每次测量前对仪器进行校准，实验条件要求苛刻，实验准备复杂，而且测量时会较大程度地影响受试者地运动，实验条件下地适用方法。在人体运动评估方面，双标记水法(double labeled water)一直被作为“金标准”在使用，由于能准确测量人体的平均代谢率(AMDR)。结合测出的人体基础代谢率(BMR)，人体运动消耗就可以被计算出来。因此被公认为是一种测定人体运动量地准确方法，是一种评定人体运动的可接受的标准，但双标记水法获得同位素2H218O的代价十分大，且测试时间很长，应用范围窄。目前国内外已有大量的关于测人体红外辐射数字式体能测试仪，测吸入，呼出气体变化分析体能消耗的间接测定系统，测心率、最大摄氧量、PWC170等多种指标的各种体能、能耗、运动量的各种测试仪、测试系统，但还未见有关便携式电子加速度计体能测试仪的研制报导。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种对于在高原条件下研究士兵作训过程中的体能状态具有很高的适用价值的高原野战作训体能消耗测试仪。本技术具体的设计构想是采用微机械集成式电子加速度传感器测量出加速度信号，利用低通滤波器滤除高频信号，截止频率为30Hz，因为人体活动的频谱主要是在30Hz以内，经过滤波后的加速度信号幅度很小，毫伏级范围内，需要放大至0～5伏之间，经取绝对值后送到积分器进行积分，当积分电压超过一定阈值时，积分器就复位一次。考虑到活动量的积累有一个过程，以一分钟为时间的计算单位，一分钟内积分器复位的次数定为加速度计的输出AO，它的单位为每分钟计数(counts/min)。经过积分比较的信号就形成脉冲串，脉冲的频率高低即疏密程度代表了运动量的大小，此时脉冲信号中已包含了人体运动量的信息，该信号还需经过整形电路将其变换为计算机标准脉冲信号，然后输入PIC单片机进行处理，单片机将每分钟的脉冲计数值及累计计数值存储下来，带测试完毕后由操作者通过键盘操作来显示出每一分钟的运动量指数及累计运动量指数。本技术的技术方案为由PIC单片机联接加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路、电源变换器、液晶显示器和键盘控制电路构成；电源变换电路还与加速度传感电路、放大检波电路、积分比较电路联接，放大检波电路两端分别联接加速度传感电路和积分比较电路。其中本技术的放大检波电路、积分比较电路和脉冲展宽电路设计如下放大检波电路设置此电路原因是由于后续检波电路要求建波信号具有一定的幅度，即建波信号应越大越好(实际上应受电源电压影响)。这样才能得到最好的检波效果。又因传感器最大输出电压(实测约为100mv)较小，应加以放大。传感器的输出信号经反相放大器放大，放大倍数理论值为Av＝R3/R1＝15，实际值小于15。经过滤波后的加速度波形相对于零基线的有正有负，积分器的积分公式为Vo＝-(1/RC).∫otVidt只有积分器的输入信号保持负电平时，积分器输出电压才会不断升高，以供比较器进行比较，当人体运动时，重心上下振动，输入加速度信号有正有负，积分器输出电平时降时升，比较器的输出不能正确反映运动量的大小，因此，需要对滤波后的加速度波形进行调整，即将零基线以上的正信号倒相为零基线以下的负信号，也就是取加速度信号的绝对值。检波电路主要由两个运放与两个二极管构成，它完成的功能是将近似正弦波的信号向负向卷折，即取信号的绝对值的负号。即检波的输出应为Vout(jb)＝-|Vin(jb)|。设置此段电路的原因是为了积分的需要，避免后面的积分由于正负电压会相互抵消，因此应将其变为全负或全正的信号，此处人为设置为负。此处的检波会有一定的误差，主要是由于检波二极管有一个导通电压，如果检波电压幅度较小，会看不到不输出。当然，幅度太大，会引起畸变。实验证明，如果检波输入电压最大值大于1V以上，以正弦波来观察，由导通电压引起的误差较小，目视几乎不可见。积分比较电路本设计的原理是将加速度信号通过积分器和比较器转换为疏密不同的脉冲波，然后将其输入到单片机中进行以一分钟为时基的计数，这一计数值与加速度信号的强度和频率成正比。这里将把加速度信号转换为脉冲波的电路称为信号转换系统。由于单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器、振荡器和时钟等各种电路，一块芯片就是一台计算机，它具有体积小，功能强，价格便宜，适于实时控制，易于产品化，功耗低等许多独特的优点。在电路中加入脉冲展宽电路是非常必要的。原因有两个①比较器输出由+5V翻转为0V的反应时间最大为200ng，而积分电容为1μF，CD4066的导通电阻为50Ω，因此放电时间常数为50μs，远大于比较器的反应时间，为意味着CD4066的导通时间远远不满足积分电容充分放电的要求，致使积分器无法复位。因此，需要将模拟开关的触发脉冲展宽，使其大于积分电容的放电时间常数的十倍，积分器准确复位后才能正常工作。②单片机内的计数器对计数脉冲的要求是计数脉冲的宽度至少应该大于单片机工作的一个机器周期，本技术中PIC16F876的晶振频率为4MHz，即一个机器周期为2μs，如果只有200ns宽度的脉冲输入PIC16F876，计数器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱弋，阮兴云，除志荣，王荣军，王斌，
申请(专利权)人：朱弋，
类型：实用新型
国别省市：