簡(jiǎn)易綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x

12014山東大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽論文題目:簡(jiǎn)易綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x論文編號(hào)：參賽學(xué)校：參賽學(xué)生：王洋田璽祥宋現(xiàn)義聯(lián)系方式指導(dǎo)教師：二○一四年九月簡(jiǎn)易綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x摘要：本設(shè)計(jì)采用TI公司生產(chǎn)的LM3S1138單片機(jī)為簡(jiǎn)易綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x的控制核心，配合高度測(cè)量模塊、重量檢測(cè)模塊、肺活量讀取模塊、無線通訊模塊、模塊和人體交互界面，不僅實(shí)現(xiàn)了身體各項(xiàng)指標(biāo)的精確檢測(cè)與身體健康指數(shù)的判斷，而且能使被測(cè)數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸并顯示在平板電腦上。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，單片機(jī)通過對(duì)各模塊信號(hào)的處理，不但可以使傳輸?shù)狡桨咫娔X上的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，而且可以使數(shù)據(jù)通過短信的方式發(fā)送到指定的手機(jī)上。另外為了使系統(tǒng)具有更好的實(shí)用性，系統(tǒng)額外增加了脈搏測(cè)量模塊和語(yǔ)音提示模塊。經(jīng)測(cè)試，基本要求全部完成，發(fā)揮功能也成功實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：LM3S1138；無線通信；射頻識(shí)別；1系統(tǒng)方案1.1方案比較與選擇1.1.1體質(zhì)測(cè)量?jī)x的核心方案一：采用AT89C52單片機(jī)。該單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)是成本低，但能夠使用的片內(nèi)外設(shè)資源有限，接口個(gè)數(shù)少，需要增加較多的外圍電路，功耗大、處理速度慢。方案二：采用TI公司生產(chǎn)的LM3S1138單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)設(shè)資源非常豐富。速度快、成本低、功耗小，可以處理相對(duì)較多的外部中斷；并且還有多個(gè)GPIO、多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換端口和多個(gè)UART異步收發(fā)傳輸器。綜上考慮，本系統(tǒng)程序復(fù)雜需要多個(gè)UART異步收發(fā)傳輸器，而LM3S1138有豐富的內(nèi)置和外設(shè)資源，多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換端口和UART異步收發(fā)傳輸器，其比AT89C52更符合簡(jiǎn)易綜合測(cè)量?jī)x復(fù)雜的控制系統(tǒng)，因此選擇方案二。1.1.2高度測(cè)量模塊方案一：采用激光測(cè)距。激光測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是精度高、速度快，缺點(diǎn)是制作難度較大，成本較高，而且光學(xué)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求較高。方案二：采用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是指向性好、傳播距離遠(yuǎn)，具有高探測(cè)精度，超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)和計(jì)算處理比較簡(jiǎn)單。KS103型超聲波傳感器測(cè)量范圍1cm-8m、最高精度達(dá)1mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足題目精度為5.0mm，誤差±5.0mm綜合對(duì)比，選擇方案二。1.1.3重量檢測(cè)模塊考慮到題目要求稱重傳感器量程為30-180kg,精度為0.01kg，誤差±0.1kg。本系統(tǒng)選擇A/D為24位、精度等級(jí)為C3（1/3000kg）、量程為0kg-200kg、溫飄小1.1.4肺活量讀取模塊采用MPX2010DP作為壓力傳感器，AD620放大，把弱信號(hào)放大430倍，轉(zhuǎn)換成范圍在0-5V內(nèi)的電壓，再經(jīng)過MCU的AD口讀出電壓值。精確度可以達(dá)到0.05ml，誤差±0.5ml。1.2總體方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)由LM3S1138單片機(jī)控制，超聲波傳感器、稱重傳感器、肺活量傳感器、壓力傳感器、無線通訊電路、射頻識(shí)別電路、人機(jī)交互界面組成。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，單片機(jī)通過對(duì)超聲波傳感器、稱重傳感器、肺活量傳感器、壓力傳感器和射頻識(shí)別電路的信號(hào)處理，不僅實(shí)現(xiàn)了身體各項(xiàng)指標(biāo)的精確檢測(cè)與肺活量/體重指數(shù)的判斷，使被測(cè)數(shù)據(jù)和信息通過無線的方式傳輸并顯示在基于安卓的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出的平板電腦上，而且還可以使數(shù)據(jù)通過短信的方式發(fā)送到指定的手機(jī)上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2理論分析與計(jì)算2.1超聲波傳感器的分析與計(jì)算超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào),遇到人體頭部后反射回來，被超聲波接收器接收到，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,知道在介質(zhì)中超聲波的傳播速度為340m/s，就可以計(jì)算出距被測(cè)物體的距離：

（2.1）其中d為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，s為超聲波往返通過的路程。超聲波傳感器工作方式原理如圖2所示；簡(jiǎn)易綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x的架構(gòu)如圖3所示。圖2超聲波發(fā)生器工作方式原理圖圖3測(cè)量?jī)x的架構(gòu)圖2.2稱重傳感器的理論分析與計(jì)算本系統(tǒng)所用稱重傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器。稱重傳感器的工作原理圖如圖4所示。圖4稱重傳感器的工作原理圖當(dāng)稱重傳感器受到固定力F作用時(shí),由于四個(gè)電阻值相等，此時(shí)電橋?U輸出最大。稱重傳感器輸出的電壓與重量之間的關(guān)系如圖5所示。圖5稱重傳感器輸出的電壓與實(shí)際重量之間的關(guān)系由擬合曲線得電壓與重量的關(guān)系為y=0.0358x+0.053。當(dāng)知道電壓輸出值y時(shí)，跟據(jù)輸出電壓與實(shí)際重量之間的關(guān)系式，很容易反求重量x。2.3肺活量傳感器的理論分析與計(jì)算氣壓傳感器MPX2010DP為差壓式傳感器，有正氣壓和負(fù)氣壓兩個(gè)接口，利用輸出電壓隨正氣壓和負(fù)氣壓之間差值增加而增加的線性關(guān)系，來測(cè)肺活量。經(jīng)測(cè)試，大氣壓力與輸出電壓差的擬合前后關(guān)系如圖6所示。圖6實(shí)測(cè)大氣壓力與輸出電壓差的擬合前后關(guān)系圖根據(jù)流體力學(xué)的知識(shí)，流量，（S是測(cè)試管的截面積，v是氣體的流速），來測(cè)量肺活量。而（x為壓力），因而可得：（2.2）有擬合公式y(tǒng)=328.82x-6308可知：在知道輸出電壓差y前提下，反求易得氣壓x。經(jīng)過積分（多次累加和）實(shí)現(xiàn)肺活量的測(cè)定。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)3.1.1肺活量傳感器的電路設(shè)計(jì)采用MPX2010DP作為壓力傳感器，經(jīng)AD620放大，轉(zhuǎn)換成范圍在0-5V內(nèi)的電壓，再經(jīng)過MCU的AD口讀出電壓值。傳感器的輸出正負(fù)端分別接圖中A620的2腳與3腳，由于傳感器的輸出較小，電阻R1為100歐，將輸入電壓放大。圖中電容C1實(shí)現(xiàn)濾波功能。壓力輸入放大電路如圖7所示。圖7肺活量壓力輸入放大電路3.1.2稱重模塊差動(dòng)放大器的從稱重傳感器測(cè)量電路出來的模擬信號(hào)很微弱，必須通過放大器電路對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求。通過調(diào)節(jié)R0電阻的大小從而調(diào)整了差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)。本系統(tǒng)選取A/D為24位的傳感器，使系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。差動(dòng)放大器的電路如圖8所示。圖8稱重模塊差動(dòng)放大器的電路設(shè)計(jì)3.1.3超聲波傳感器的電路設(shè)計(jì)超聲波的接收電路利用CX20106A芯片制作而成。適當(dāng)更改電容C4的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。改變R1、C1的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性；R5用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0；C3為積分電容，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。超聲波的發(fā)射電路主要由

74LS04反相器及超聲波發(fā)生器組成

。通過程序由單片機(jī)產(chǎn)生

40kHz的振蕩信號(hào)

，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生傳感器

UCM40T發(fā)出

40kHz

的超聲波脈沖。如附錄圖四所示。3.2程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，單片機(jī)通過對(duì)高度測(cè)量模塊、重量檢測(cè)模塊、脈搏測(cè)量模塊、肺活量讀取模塊和射頻識(shí)別模塊的信號(hào)處理，使身體各項(xiàng)測(cè)量指標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示在液晶上；通過按鍵控制選擇，能使被測(cè)數(shù)據(jù)和信息通過無線的方式傳輸并顯示在基于安卓的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出的平板電腦上，還可以使數(shù)據(jù)通過短信的的方式發(fā)送到指定的手機(jī)上。系統(tǒng)總體程序如圖9所示。超聲波的程序處于鍵控循環(huán)里，超聲波檢測(cè)的程序如圖10所示。圖9系統(tǒng)總體程序圖圖10超聲波檢測(cè)程序非接觸式IC卡讀寫器、平板顯示、短信發(fā)送的軟件采用積木式模塊設(shè)計(jì)。其主要模塊程序由鍵盤掃描、液晶動(dòng)態(tài)顯示、讀寫器及與上位機(jī)通信等，采集數(shù)據(jù)程序流程框如圖11所示圖11采集數(shù)據(jù)程序流程框4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試儀器MY60數(shù)字萬用表、DG1012信號(hào)發(fā)生器、1000ml注射器、綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x4.2測(cè)試方法及結(jié)果基本部分測(cè)試：首先將標(biāo)準(zhǔn)的1000ml空氣用注射器完全推入測(cè)試吹嘴，來標(biāo)定精度；待精度達(dá)到要求后隨機(jī)選取4人，分別發(fā)磁卡測(cè)試身高、肺活量、脈搏和體重；再將這4人分別在DHM-200體質(zhì)測(cè)量?jī)x上重測(cè)，測(cè)試后對(duì)比數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1基本部分測(cè)試數(shù)據(jù)被測(cè)人1234數(shù)據(jù)類型標(biāo)值測(cè)試標(biāo)值測(cè)試標(biāo)值測(cè)試標(biāo)值測(cè)試注射器標(biāo)定ml10001001.91000999.210001000.11000998.5人體重量kg72.3672.2768.6968.5560.3260.3859.6359.54人體高度mm18041809172417181683168715671562人體肺活量ml4000.73999.24762.34762.94200.84199.83856.13856.9體質(zhì)是否合格及格良好良好及格卡號(hào)顯示201104105301201104105302201104105303201104105304發(fā)揮部分測(cè)試：在基本部分測(cè)試的基礎(chǔ)上，首先讓4位被測(cè)人的信息以無線傳輸?shù)姆绞斤@示在平板上，并且具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能；接著把被測(cè)人的信息以短信的方式發(fā)送到他們的手機(jī)上。測(cè)試結(jié)果如表2所示。表2發(fā)揮部分測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試人編號(hào)1234平板顯示數(shù)據(jù)（無線）完全顯示完全顯示完全顯示完全顯示數(shù)據(jù)能否導(dǎo)出能能能能被測(cè)人能否收到短信能能能能聲音提示是否正常正常正常正常正常4.3結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)際觀察，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在基礎(chǔ)部分實(shí)現(xiàn)了身高、體重、肺活量的精確測(cè)量；發(fā)揮部分不但能使被測(cè)數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸并顯示在數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出的平板電腦上，并且被測(cè)數(shù)據(jù)能以短信方式發(fā)在指定手機(jī)上。5總結(jié)本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的LM3S1138單片機(jī)為控制核心的簡(jiǎn)易綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)，配合其它模塊，在基礎(chǔ)部分不僅實(shí)現(xiàn)了身高、體重、肺活量的精確測(cè)量，而且額外增加了測(cè)脈搏的功能，從而使本系統(tǒng)更具有實(shí)用性；發(fā)揮部分不但能使被測(cè)數(shù)據(jù)通過無線的方式傳輸并顯示在數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出的平板電腦上以及能以短信方式發(fā)在指定手機(jī)上，而且增加了聲音提示模塊，使系統(tǒng)具有更好的人機(jī)交互界面。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定，具有較高的測(cè)量精度，抗干擾能力強(qiáng)。參考文獻(xiàn)[1]郁有文，常鍵編著傳感器原理及工程應(yīng)用西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003。[2]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(第三版)[M]北京：清華大學(xué)出版社，2005。[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)