简易综合体质测量仪

12014山东大学生电子设计竞赛论文题目:简易综合体质测量仪论文编号：参赛学校：参赛学生：王洋田玺祥宋现义联系方式指导教师：二○一四年九月简易综合体质测量仪摘要：本设计采用TI公司生产的LM3S1138单片机为简易综合体质测量仪的控制核心，配合高度测量模块、重量检测模块、肺活量读取模块、无线通讯模块、模块和人体交互界面，不仅实现了身体各项指标的精确检测与身体健康指数的判断，而且能使被测数据通过无线的方式传输并显示在平板电脑上。系统运行过程中，单片机通过对各模块信号的处理，不但可以使传输到平板电脑上的数据可以导出，而且可以使数据通过短信的方式发送到指定的手机上。另外为了使系统具有更好的实用性，系统额外增加了脉搏测量模块和语音提示模块。经测试，基本要求全部完成，发挥功能也成功实现。关键词：LM3S1138；无线通信；射频识别；1系统方案1.1方案比较与选择1.1.1体质测量仪的核心方案一：采用AT89C52单片机。该单片机优点是成本低，但能够使用的片内外设资源有限，接口个数少，需要增加较多的外围电路，功耗大、处理速度慢。方案二：采用TI公司生产的LM3S1138单片机。该单片机内设资源非常丰富。速度快、成本低、功耗小，可以处理相对较多的外部中断；并且还有多个GPIO、多个A/D转换端口和多个UART异步收发传输器。综上考虑，本系统程序复杂需要多个UART异步收发传输器，而LM3S1138有丰富的内置和外设资源，多个A/D转换端口和UART异步收发传输器，其比AT89C52更符合简易综合测量仪复杂的控制系统，因此选择方案二。1.1.2高度测量模块方案一：采用激光测距。激光测距的优点是精度高、速度快，缺点是制作难度较大，成本较高，而且光学系统对环境要求较高。方案二：采用超声波测距。超声波测距的优点是指向性好、传播距离远，具有高探测精度，超声波检测距离设计和计算处理比较简单。KS103型超声波传感器测量范围1cm-8m、最高精度达1mm，远远满足题目精度为5.0mm，误差±5.0mm综合对比，选择方案二。1.1.3重量检测模块考虑到题目要求称重传感器量程为30-180kg,精度为0.01kg，误差±0.1kg。本系统选择A/D为24位、精度等级为C3（1/3000kg）、量程为0kg-200kg、温飘小1.1.4肺活量读取模块采用MPX2010DP作为压力传感器，AD620放大，把弱信号放大430倍，转换成范围在0-5V内的电压，再经过MCU的AD口读出电压值。精确度可以达到0.05ml，误差±0.5ml。1.2总体方案与系统结构框图系统由LM3S1138单片机控制，超声波传感器、称重传感器、肺活量传感器、压力传感器、无线通讯电路、射频识别电路、人机交互界面组成。系统运行过程中，单片机通过对超声波传感器、称重传感器、肺活量传感器、压力传感器和射频识别电路的信号处理，不仅实现了身体各项指标的精确检测与肺活量/体重指数的判断，使被测数据和信息通过无线的方式传输并显示在基于安卓的数据可以导出的平板电脑上，而且还可以使数据通过短信的方式发送到指定的手机上。系统结构框图如图1所示。图1系统结构框图2理论分析与计算2.1超声波传感器的分析与计算超声波发生器在某一时刻发出超声波信号,遇到人体头部后反射回来，被超声波接收器接收到，从而测出发射和接收回波的时间差t,知道在介质中超声波的传播速度为340m/s，就可以计算出距被测物体的距离：

（2.1）其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程。超声波传感器工作方式原理如图2所示；简易综合体质测量仪的架构如图3所示。图2超声波发生器工作方式原理图图3测量仪的架构图2.2称重传感器的理论分析与计算本系统所用称重传感器为电阻应变式称重传感器。称重传感器的工作原理图如图4所示。图4称重传感器的工作原理图当称重传感器受到固定力F作用时,由于四个电阻值相等，此时电桥∆U输出最大。称重传感器输出的电压与重量之间的关系如图5所示。图5称重传感器输出的电压与实际重量之间的关系由拟合曲线得电压与重量的关系为y=0.0358x+0.053。当知道电压输出值y时，跟据输出电压与实际重量之间的关系式，很容易反求重量x。2.3肺活量传感器的理论分析与计算气压传感器MPX2010DP为差压式传感器，有正气压和负气压两个接口，利用输出电压随正气压和负气压之间差值增加而增加的线性关系，来测肺活量。经测试，大气压力与输出电压差的拟合前后关系如图6所示。图6实测大气压力与输出电压差的拟合前后关系图根据流体力学的知识，流量，（S是测试管的截面积，v是气体的流速），来测量肺活量。而（x为压力），因而可得：（2.2）有拟合公式y=328.82x-6308可知：在知道输出电压差y前提下，反求易得气压x。经过积分（多次累加和）实现肺活量的测定。3电路与程序设计3.1电路设计3.1.1肺活量传感器的电路设计采用MPX2010DP作为压力传感器，经AD620放大，转换成范围在0-5V内的电压，再经过MCU的AD口读出电压值。传感器的输出正负端分别接图中A620的2脚与3脚，由于传感器的输出较小，电阻R1为100欧，将输入电压放大。图中电容C1实现滤波功能。压力输入放大电路如图7所示。图7肺活量压力输入放大电路3.1.2称重模块差动放大器的从称重传感器测量电路出来的模拟信号很微弱，必须通过放大器电路对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求。通过调节R0电阻的大小从而调整了差动放大器的放大倍数。本系统选取A/D为24位的传感器，使系统测试数据更加准确。差动放大器的电路如图8所示。图8称重模块差动放大器的电路设计3.1.3超声波传感器的电路设计超声波的接收电路利用CX20106A芯片制作而成。适当更改电容C4的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。改变R1、C1的数值能改变前置放大器的增益和频率特性；R5用以设置带通滤波器的中心频率f0；C3为积分电容，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。超声波的发射电路主要由

74LS04反相器及超声波发生器组成

。通过程序由单片机产生

40kHz的振荡信号

，驱动超声波发生传感器

UCM40T发出

40kHz

的超声波脉冲。如附录图四所示。3.2程序结构与设计系统采用模块化设计，单片机通过对高度测量模块、重量检测模块、脉搏测量模块、肺活量读取模块和射频识别模块的信号处理，使身体各项测量指标的数据显示在液晶上；通过按键控制选择，能使被测数据和信息通过无线的方式传输并显示在基于安卓的数据可以导出的平板电脑上，还可以使数据通过短信的的方式发送到指定的手机上。系统总体程序如图9所示。超声波的程序处于键控循环里，超声波检测的程序如图10所示。图9系统总体程序图图10超声波检测程序非接触式IC卡读写器、平板显示、短信发送的软件采用积木式模块设计。其主要模块程序由键盘扫描、液晶动态显示、读写器及与上位机通信等，采集数据程序流程框如图11所示图11采集数据程序流程框4测试方案与测试结果4.1测试仪器MY60数字万用表、DG1012信号发生器、1000ml注射器、综合体质测量仪4.2测试方法及结果基本部分测试：首先将标准的1000ml空气用注射器完全推入测试吹嘴，来标定精度；待精度达到要求后随机选取4人，分别发磁卡测试身高、肺活量、脉搏和体重；再将这4人分别在DHM-200体质测量仪上重测，测试后对比数据。测试结果如表1所示。表1基本部分测试数据被测人1234数据类型标值测试标值测试标值测试标值测试注射器标定ml10001001.91000999.210001000.11000998.5人体重量kg72.3672.2768.6968.5560.3260.3859.6359.54人体高度mm18041809172417181683168715671562人体肺活量ml4000.73999.24762.34762.94200.84199.83856.13856.9体质是否合格及格良好良好及格卡号显示201104105301201104105302201104105303201104105304发挥部分测试：在基本部分测试的基础上，首先让4位被测人的信息以无线传输的方式显示在平板上，并且具有数据导出功能；接着把被测人的信息以短信的方式发送到他们的手机上。测试结果如表2所示。表2发挥部分测试数据测试人编号1234平板显示数据（无线）完全显示完全显示完全显示完全显示数据能否导出能能能能被测人能否收到短信能能能能声音提示是否正常正常正常正常正常4.3结论根据上述测试数据和实际观察，系统完全达到了设计要求。在基础部分实现了身高、体重、肺活量的精确测量；发挥部分不但能使被测数据通过无线的方式传输并显示在数据可以导出的平板电脑上，并且被测数据能以短信方式发在指定手机上。5总结本系统采用TI公司生产的LM3S1138单片机为控制核心的简易综合体质测量仪系统，配合其它模块，在基础部分不仅实现了身高、体重、肺活量的精确测量，而且额外增加了测脉搏的功能，从而使本系统更具有实用性；发挥部分不但能使被测数据通过无线的方式传输并显示在数据可以导出的平板电脑上以及能以短信方式发在指定手机上，而且增加了声音提示模块，使系统具有更好的人机交互界面。测试结果表明系统稳定，具有较高的测量精度，抗干扰能力强。参考文献[1]郁有文，常键编著传感器原理及工程应用西安：西安电子科技大学出版社，2003。[2]谭浩强.C语言程序设计(第三版)[M]北京：清华大学出版社，2005。[3]阎石.数字电子技术基础