简易体质测量系统(共8页)

1、PAGE PAGE 11 摘要(zhiyo)本文介绍了一种(y zhn)基于MSP430F5529单片机的简易体质测量系统。该系统(xtng)采用单电源12V供电，系统通过DC/DC变换产生5V、-5V、3.3V为系统供电。测量体重部分通过四个半桥的称重传感器组成全桥，因为压力的作用使得压变片的电阻发生改变，产生微弱的差分信号，通过外部AD芯片ADS1118采集电压信号读入单片机中经过比例运算得出当前体重值。测量肺活量部分通过肺活量传感器转换成电压值通过单片机内部AD采值经过积分运算得出肺活量值。测量身高部分通过悬挂在半空中的激光传感器发出的激光测量到达头顶的距离，采用一定的算法计算出人的身高

2、。将采集的这些数据通过串口发送到电脑的上位机，通过蓝牙发送到手机的蓝牙串口助手。关键字：体质测量系统 应变片 肺活量传感器 激光传感器 AbstractIn this paper, a simple physical measurement system based on MSP430F5529 microcontroller.The system adopts the single power supply 12 V power supply, the system generated by DC/DC conversion 5 V, 5 V, 3.3 V for the system po

3、wer supply.Measuring weight part of weighing sensor by four and a half bridge bridge, because the effect of pressure makes the compression resistance change, produce weak differential signals, voltage signal into singlechip by external AD chip ADS1118 through scale operation in current weight values

4、 are obtained.Lung capacity measurement part by lung capacity sensor is converted into voltage values by single chip microcomputer internal AD value of vital capacity value is obtained through the integral arithmetic.Measuring height part by hanging in mid-air laser in the laser sensor of measuring

5、the distance to the top of the head, adoption of a certain algorithm to calculate the height of.Will be collected the data via a serial port sent to the computer PC, sent to the mobile phone via bluetooth bluetooth serial assistants.Keywords:Body measurement system,compression resistance,lung capaci

6、ty sensor,laser sensor.1 系统(xtng)方案1.1 总体方案整个系统分为电源、无线射频、蓝牙、语音、称重传感器、肺活量传感器、激光测距、上位机及显示九个模块。首先系统采用双电源+5V,-5V为系统供电，为了给后级电路供电同时考虑功耗的要求，我们采用AMS1117芯片产生了3.3V为液晶，无线模块等供电；采用无线射频读卡器读取射频卡内信息并送至单片机，同时将卡号显示于OLED显示屏上；通过语音模块通知学生进行各项指标检测；分别通过激光测距，称重传感器，肺活量传感器检测学生身高，体重，肺活量等信息并送入单片机进行运算处理，最后将处理后信息上传至电脑上位机和安卓手机上位机上

7、以及(yj)在液晶上显示，同时调用GSM模块发短信至检测学生的手机上。经过实际的测试，本方案可行，能满足题目的要求。系统框图如下图-1。图-1 系统(xtng)框图1.2 方案论证与选择1.2.1单片机的选择方案一：采用51单片机。该单片机使用熟练。但其预算速度较慢，且功耗较大。方案二：采用MSP430。MSP430单片机为16位单片机，内部资源丰富，且功耗非常低，并且我们平时对430单片机进行过专门练习，能够熟练使用。方案三：采用ARM。在之前做过的比赛中应用过ARM，功能强大，并且我们也能够熟练的使用，但是ARM功耗较MSP430单片机大，并且没有专门的实验板。综合考虑内部资源、外设资源、

8、功耗以及熟练程度等各方面的原因，我们决定选用MSP430F5529 USB实验板作为本次设计的主控板。1.2.2 电源模块的选择(xunz)方案一：采用线性电源。线性电源能够得到高精度的电压源，但要求输入与输出电压之间存在(cnzi)一定压差，且压差的功耗全部消耗在线性电源内部的“管子(gun zi)”中，所以效率特别的低。考虑到题目中的低功耗要求，所以不选用线性电源。方案二：采用成品开关电源模块MP1584。MP1584也是一款开关电源芯片，与LM2596有所不同，其在输出百毫安级的电流效率就高达85% 以上。在实际的测试中，电路的电流为100mA左右，功耗大约为1.2W，大大低于题目要求的

9、1.5W。 通过方案的比较，我们选用成品的MP1584模块作为本系统中的供电模块，能够很好的完成题目中的低功耗要求。1.2.3 称重传感器的选择方案一：采用液压式称重传感器。液压式传感器结构简单而牢固，测量范围大，但准确度一般不超过1/100。达不到我们对精度的要求，所以不选用液压式称重传感器方案二：采用电容式称重传感器。电容式传感器利用电容器振荡电路的振荡频率f与极板间距d成正比的关系制成，耗电量少，造价低，准确度为1/200-1/500，也满足不了我们对精度的要求，所以不选用电容式称重传感器。方案三：采用电阻应变式称重传感器。电阻应变式传感器利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作，

10、称量范围为300g至数千Kg，计量准确度达1/10001/10000，结构较简单，可靠性较好。完全能满足我们的要求。通过方案的比较，考虑到测量范围和精确度等各方面的原因，我们决定选用电阻应变式称重传感器进行称重测量。1.2.4 激光测距的选择方案一：采用超声波传感器测距。超声波传感器发射声波较为分散，测量精度相对较低。方案二：采用激光传感器测距。激光传感器发射光束击中，测量精度很高，相干性好。通过方案的比较，考虑到测量精确度和干扰小等各方面的原因，我们决定选用激光传感器测距进行身高测量。1.2.5 运算放大器的选择方案一：采用OP07运算放大器。OP07输入偏置电流低和开环增益高，性能稳定。方

11、案二：采用仪表放大器INA128PA。INA128PA具有超高共模抑制比，超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，超高精确度。通过方案的比较，考虑到测量精确度和放大性能等各方面的原因，我们决定选用仪表放大器INA128PA进行信号放大。2 理论方法2.1 测量(cling)原理2.1.1 身高(shn o)测量方法在本次设计中，我们采用间接测量方法进行身高的测量。总体思路如下：首先，设定了测量总长2.1米；然后(rnhu)，通过安装于支架顶端的激光传感器测量支架顶端距被测者头顶的距离；最后，将采集信息送入单片机中作差计算出被测者身高信息。为了提高测量精度，我们进行了如下改进：

12、采用高精度抗干扰性能好的激光传感器进行测量在被测者头顶平放一平板，以减少头发引起的误差和位置晃动引起的误差多次测量采集多组数据，在程序中进行一定的滤波和求平均运算2.1.2体重测量方法在本次设计中，我们采用四个半桥的称重传感器组成全桥，既能提高测量范围，又能平均受力提高测量精度。使用TL431芯片为电路提供精准基准源，采用INA128仪表放大器作为第一级差放可以提高抑制温漂的能力，第二级采用OP07放大器进一步提高放大倍数，将采集的信号经过ADS1118外部AD芯片采集信号，送入单片机处理数据。为进一步提高精度，我们做了如下改进：采用高精度，高抑制温漂的运算放大器。多次测量数据采集平均值，并且

13、进行软件滤波。2.1.3 肺活量测量方法在本次设计中，我们使用高精度的肺活量传感器，采用高精度仪表放大器INA128，使用单片机内部AD每间隔1毫秒采集一次AD信号，通过积分以及算法得出转换成的肺活量。为进一步提高精度，我们做了如下改进： A.采用高精度，高抑制温漂的运算放大器。B.多次测量数据采集平均值，并且进行软件滤波。3 电路与程序设计3.1硬件设计3.1.1 电源模块电源模块分为两个子模块，分别产生5V、-5V、3.3V。5V，-5V产生用的是成品的DC/DC开关电源模块MP1584，电路如图-2，图-3； 3.3V产生用的AMS1117-3.3V芯片。 3.1.2 运算放大模块 将肺

14、活量传感器和称重传感器输出的微小信号经过运算放大器进行放大，通过AD模块采集信号传至单片机，电路如图-1。图-1 运算(yn sun)放大电路电路3.1.3 AD采集(cij)模块A/D采集(cij)选用的是TI的高精度低功耗16位A/D转换芯片ADS1118，根据技术手册搭建电路如图-2。图-2 AD采集模块3.1.4 通信模块采用射频卡模块实现刷卡功能，显示持卡人信息，采用蓝牙模块实现与安卓手机上位机的通信，采用无线模块实现与电脑上位机的通信。3.1.5 上位机模块 我们自主开发了两款上位机，单片机分别给手机上位机和电脑上位机通信电脑和手机上显示学生的体质测量结果，主要界面如图-3、图-4

15、所示。 图-3 电脑上位机 图-4 手机上位机3.2 软件设计软件算法流程如图-5所示。图-5 软件(run jin)流程4 测试(csh)方案与测试结果4.1 测试(csh)方案在测试过程中，我们按照题目要求分别进行身高，体重，肺活量的测量。测试流程如下：测试者刷卡后，卡号显示于OLED显示屏上；使用不同长度的尺子测试身高检测的精度；使用不通话重量的砝码测试体重检测的精度；测试者同时使用我们的系统和标准肺活量测试仪进行肺活量精度的检测。测试完毕，计算得出测试者体质是否合格的结果。同时，将测试信息上传至电脑和安卓手机的上位机上显示，并且将测试结果以短信方式通过GSM模块发至测试者指定手机号。5

16、 测试结果和分析5.1 精度测试结果5.1.1身高精度测量 标准身高测量身高1500mm1550mm1600mm1650mm1700mm1750mm1800mm1850mm1900mm次数11500mm1550mm1560mm1640mm1690mm1750mm1810mm1850mm1910mm次数21490mm1540mm1610mm1640mm1700mm1760mm1800mm1840mm1920mm次数31480mm1550mm1600mm1650mm1700mm1770mm1800mm1850mm1870mm次数41500mm1580mm1620mm1650mm1700mm1740

17、mm1800mm1850mm1900mm次数51500mm1550mm1600mm1650mm1720mm1750mm1800mm1850mm1880mm5.1.2 体重(tzhng)精度测量 标准体重测量体重30.00kg35.00kg40.00kg45.00kg60.00kg70.00kg80.00kg100.00kg120.00kg次数130.00kg35.03kg40.06kg45.02kg59.95kg70.07kg80.00kg100.02kg120.03kg次数230.02kg35.01kg40.05kg45.05kg60.08kg70.02kg80.01kg100.03kg12

18、0.08kg次数329.95kg34.05kg40.02kg45.040kg60.00kg69.99kg80.08kg99.99kg120.09kg次数430.04kg35.00kg39.95kg44.98kg60.07kg70.00kg79.97kg100.02kg120.01kg次数530.01kg35.07kg40.00kg45.01kg60.06kg70.05kg80.00kg100.01kg119.95kg5.1.3 肺活量精度(jn d)测量 标准肺活量测量肺活量1258.2ml1575.0ml2862.5ml2578.3ml3489.7ml3784.2ml4125.8ml4578

19、.6ml5523.7ml次数11258.9ml1575.1ml2861.5ml2578.3ml3489.5ml3784.0ml4125.5ml4578.5ml5523.1ml次数21258.5ml1574.2ml2861.9ml2578.0ml3488.9ml3783.9ml4126.3ml4578.1ml5523.9ml次数31257.8ml1575.8ml2862.4ml2578.1ml3488.5ml3783.8ml4124.9ml4577.9ml5524.5ml次数41258.2ml1575.5ml2862.2ml2578.2ml3489.9ml3784.9ml4125.2ml4579.1ml5522.2ml次数51258.3ml1574.1ml2862.5ml2577.7ml349