引言

當(dāng)今社會人們越來越關(guān)注醫(yī)療衛(wèi)生和保健，敬老院、學(xué)校、部隊等集體單位體檢時，身高、體重、心率、肺活量等基本生理參數(shù)的測量大多是分開進(jìn)行或部分合在一起測量，并且這些測量儀器體積較大、操作繁瑣且精度不夠，在很大程度上浪費了人力、物力、財力和體檢時間。因此，有必要利用現(xiàn)在成熟的電子技術(shù)，運用微控制器強(qiáng)大的運算、處理和控制能力，設(shè)計一款低功耗綜合性的測量儀。

本文采用MSP430F5529單片機(jī)作為主控制器，利用各個生理參數(shù)測量傳感器，提出了一種低功耗綜合體質(zhì)測量儀的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

作為儀表類設(shè)計，系統(tǒng)的測量精度和功耗是主要考慮的因素，因此選用了MSP430F5529單片機(jī)和相應(yīng)高精度低功耗器件。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 主控制器

MSP430F5529是一個16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)，簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算;具有高效的查表處理指令，這些特點保證了

單片機(jī)可編制出高效率的源程序。其能在25 MHz晶振的驅(qū)動下，實現(xiàn)40 ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實現(xiàn)乘加運算)相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法(如FFT等)，內(nèi)部具有12位的A/D轉(zhuǎn)換器，速度快、精度高。它在降低芯片的電源電壓和靈活可控的運行時鐘方面設(shè)計出色，具有超低功耗。

1.2 身高檢測模塊

身高檢測模塊采用WF20D電阻式位移傳感器，獨立線性公差為精密級±0.1%，拉線長度為1000 mm，外形小巧、堅固耐用、安裝方便，通過該傳感器可以將身高物理量轉(zhuǎn)換成電阻值。電路原理如圖2所示，利用穩(wěn)壓管TL431產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓給拉線電位器供電，同時接入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器通道1，拉線電位器輸出端接一跟隨器之后，再經(jīng)過RC低通濾波電路接入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器通道2，這樣設(shè)計有助于消除A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差并可有效抑制溫漂，在接下來的軟件設(shè)計中會有身高測量值的具體計算方法。

1.3 體重檢測模塊

體重檢測模塊的傳感器為HX—Z系列雙孔懸梁形式壓力傳感器，其量程為200 kg，精度為0.01 kg，誤差±0.05kg。該傳感器精度高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、抗偏載能力強(qiáng)。

為了提高測量精度，使用外置24位A/D轉(zhuǎn)換電路HX711，HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等外圍電路以及低噪聲可編程放大器，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點，降低了測量儀的整機(jī)成本，

提高了整機(jī)的性能和可靠性。設(shè)計中通過編程設(shè)置放大倍數(shù)為64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±40 mV。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接為外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件，上電自動復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程，芯片與MCU通過I2C總線串行通信，接口簡單方便。體重檢測模塊電路圖如圖3所示。

1.4 肺活量檢測模塊

肺活量檢測模塊采用高精度MPX系列硅壓力傳感器MPX5010，MPX系列是電壓輸出型壓力變送器模塊，采用壓力傳感器作為敏感元件并集成了數(shù)字調(diào)理芯片，對傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。其內(nèi)部集成了信號放大電路，傳感器測壓范圍為0～10 kPa，滿量程電壓為5 V，具有集成度高、體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、溫度范圍寬等卓越特性。采用MSP430內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，對氣體流動壓力進(jìn)行軟件積分即可測量出人體呼氣的流量，經(jīng)過標(biāo)定從而計算出人體肺活量。

1.5 心率檢測模塊

心率檢測采用HKG—07系列傳感器，該傳感器利用紅外線檢測，由于心臟跳動而引起的手指尖內(nèi)微血管容積發(fā)生的變化，經(jīng)過信號放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號(如圖4所示)，經(jīng)過單片機(jī)簡單計算即可得到心率數(shù)值。該產(chǎn)品采用高度集成化工藝，將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)主要用于臨床上心率的計數(shù)、監(jiān)測等。

1.6 實時日歷時間模塊

采用美國DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片DS1302。它可以對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32.768 kHz晶振，工作電壓為2.5～5.5 V，采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。日歷時間模塊電路圖如圖5所示。

1.7 打印機(jī)接口和RS232通信接口

設(shè)計中選擇具有串口通信功能的MP-320T熱敏微型80 mm小票據(jù)打印機(jī)，按下打印按鍵時，MSP430將日期時間和各項測量的參數(shù)通過串口發(fā)送給打印機(jī)進(jìn)行打印。

2 軟件程序設(shè)計

該系統(tǒng)采用MSP430為主控制器，利用C語言進(jìn)行編程，簡單明了，結(jié)構(gòu)緊湊。

2.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電初始化之后，顯示時間和日期等信息，等待各被測者生理參數(shù)的測量。程序主流程圖如圖6所示，在主循環(huán)中實時讀取各參數(shù)的值進(jìn)行實時顯示，待測數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后單片機(jī)自動將數(shù)據(jù)裝入數(shù)組u32 LAST_Data[]，數(shù)據(jù)格式為測量編號、日期時間、身高、體重、肺活量、心率、血壓，每個數(shù)據(jù)各占4個字節(jié)。

2.2 各模塊子程序設(shè)計

在各個參數(shù)測量中，為了減小誤差采用了均值濾波，在測量身高的時候同時將2.5 V基準(zhǔn)電壓接入單片機(jī)A/D通道1，身高傳感器(拉線電位器)的輸出電壓接入單片機(jī)A/D通道2，轉(zhuǎn)換之后分別得到數(shù)字量H_Data_refer和H_Data。選用的身高傳感器量程是100～200 mm，實際身高為H_Real=(1000×H_Data/H_Data_refer+1000)，可精確到2 mm。

肺活量測量時，采樣周期為5 ms，具體為采用定時器定時5 ms，每5 ms進(jìn)入一次服務(wù)程序，對傳感器前后兩次輸出的數(shù)值進(jìn)行對比，當(dāng)差值大于最小臨界點時即自動開始對傳感器氣流壓力進(jìn)行軟件積分，每5 ms累積一次，然后當(dāng)小于最小臨界點時判斷測量完畢并停止積分。經(jīng)過標(biāo)定即可得到最終肺活量的數(shù)值。

心率檢測傳感器已經(jīng)把心率信號調(diào)理成同步脈沖，利用定時器外部脈沖觸發(fā)，上升沿到來使能定時，為了減小誤差，累計10次上升沿的時間，心率計算公式為H_Rate=60×10/(T2-T1)。

程序分模塊設(shè)計，各模塊調(diào)試、參數(shù)標(biāo)定、精度調(diào)節(jié)分開進(jìn)行，軟件系統(tǒng)具有很大的靈活性。

結(jié)語

選取5組被測者對本測量儀的測量精度進(jìn)行測試。通過現(xiàn)有機(jī)械式和在售的分立式電子測量儀所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析。測試結(jié)果對比如表1所列。

身高測量中由于讀數(shù)等存在誤差，使得該測量儀器和實際測量存在≤5 cm的誤差可能性;體重對比測量時，由于機(jī)械式體重表本身精度就不高，測量數(shù)據(jù)具有 ≤0.5 kg的誤差;在肺活量測量時采用市場在售的電子式肺活量測量儀進(jìn)行對比測量，無法保證同一被測對象兩次肺活量完全相同，也無法保證被測對象兩次的吹氣速度，這使得測量結(jié)果具有≤60 mm的誤差。心率對比測量采用人工方法，由于起始和結(jié)束時間的掌握不準(zhǔn)使得結(jié)果存在±2最大誤差。同時，還對同一被測對象進(jìn)行重復(fù)測量，結(jié)果表明本測量儀具有較高的測量精度和穩(wěn)定性。