徐龍

【摘要】 以飛思卡爾公司的MC9S12XS128為主控芯片來設(shè)計綜合體質(zhì)測量儀，文中主要從硬件方案論證與比較、硬件電路設(shè)計和系統(tǒng)軟件三個方面來進(jìn)行論述。硬件方案論證與比較通過對比各個模塊的器件選型，進(jìn)而給出合適的硬件電路設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計給出整個系統(tǒng)的程序流程框圖。

【關(guān)鍵字】 體質(zhì)測量 單片機 無線通信

一、對硬件方案進(jìn)行論證與比較

本系統(tǒng)采用MC9S12XS128作為主控芯片，采用高精度的電阻式拉線位移傳感器進(jìn)行身高信號采集，在獲取人體體重信號時可以采用稱重傳感器，另一方面肺活量信號的獲取則可以借助差壓帶補償壓力傳感器，本系統(tǒng)還帶有藍(lán)牙，GSM，RFID可刷卡顯示等功能。本系統(tǒng)在經(jīng)過不斷實踐及調(diào)整后，基本體質(zhì)參數(shù)的測量要求都達(dá)到了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的無線數(shù)據(jù)傳輸部分也完整實現(xiàn)。結(jié)果顯示，本系統(tǒng)具有科學(xué)的設(shè)計方法、較強的穩(wěn)定性及抗干擾性等優(yōu)點。

1.1 讀卡模塊設(shè)計方案

方案一：采用接觸式的IC卡，該卡的外部接口電路以及集成電路和其外部金屬電極觸點直接相連 ，外部接口電路為卡內(nèi)集成電路提供工作電源，該卡和讀卡器之間數(shù)據(jù)的傳送需要卡芯片上的6到8個觸點才能實現(xiàn)。但是接觸式的IC卡也有不足，比如：數(shù)據(jù)傳輸過程必須使用有線方式，并且不具有耐磨性等。

方案二：采用非接觸式的IC卡，該卡在集成電路上不向外引出觸點，其數(shù)據(jù)交流和電源的供給由無線收發(fā)及相應(yīng)電路完成的，該電路是對應(yīng)在卡片中的，此外，能量與數(shù)據(jù)的交換進(jìn)行需要借助無線電波或者電磁場感應(yīng)的方式。盡管IC卡也需要與主機接觸，但是它在數(shù)據(jù)傳輸時可以借由無線方式。與方案一對比得：該種IC卡為整體封裝，具有不怕油污、抗磨損和使用壽命長的優(yōu)勢。

對于上述的兩個方案，分析比較之后，我們認(rèn)為方案二要好于方案一。

1.2 身高測量模塊設(shè)計方案

方案一：選取超聲波傳感器測距。外部信號處理簡單便捷、速度快是超聲波測距的優(yōu)勢之一，此外超聲波測距還便于控制并且價優(yōu)。因此常用在要求測量精度不高但速度要求較快的距離測試設(shè)備中。但在現(xiàn)實應(yīng)用中，超聲波傳感器自身也存在一些不足，其中比較明顯的缺點是探測波的束角偏大，造成信號不易采集、方向性較差，不易控制、使用前需要人為標(biāo)定等缺點。

方案二：選取拉線式位移傳感器測距。這種傳感器的線性特性非常好，它的輸出電壓要求在0v到10v之間且與被測量成線性關(guān)系。具有測量精度可達(dá)千分之一、使用方便，溫度誤差小、壽命長等優(yōu)點，符合本設(shè)計要求。

對于上述的二個方案，綜合考慮之后，方案二是不錯的選擇。

1.3肺活量信號采集模塊設(shè)計方案

方案一：差分壓力傳感器，測量精度高，受環(huán)境影響因素較小

方案二：空氣流量傳感器，在使用過程中發(fā)現(xiàn)其測量數(shù)據(jù)偏差較大，數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定

對于上述兩種方案，綜合考慮選擇方案二。

1.4微控制器選擇方案

方案一：選擇TI公司的M430G2553單片機作為系統(tǒng)的微處理器，M430G2553是超低功耗混合信號微控制器，其內(nèi)設(shè)有的定時器有16位，I/O 引腳可以支持觸摸感測且有24之多，它所具有的一個模擬比較器是通用型的，此外，其內(nèi)置通信能力高，因為它利用了通用串行通信，不能忽視的是它尤為顯著的一個特點那就是功率損耗小。而且其自帶一個十位的A/D轉(zhuǎn)換器，使模數(shù)轉(zhuǎn)換更便捷。

方案二：選擇飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位MC9S12XS128單片機作為系統(tǒng)的微處理器，MC9S12XS128由16位中央處理單元、128KB程序Flash、8KBRAM、8KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲器，指令系統(tǒng)與S12兼容CPU工作頻率最高可達(dá)80MHz，16通道高達(dá)12位精度A/D采集模塊，7級中斷嵌套和7個中斷優(yōu)先級，CRG模塊，COP看門狗，實時中斷及時鐘監(jiān)視器。這樣一來，無論是掃描還是處理數(shù)據(jù)的速度都有了特別大的突破。

對比方案上述兩種方案，綜合考慮選用方案二。

1.5系統(tǒng)總體方案

上面一系列的解析和驗證，最終確定了下述系統(tǒng)各模塊采用的方案：

（1）主控控制器：MC9S12XS128；（2） IC卡讀卡模塊 ：RC522串口讀寫器；（3）身高測量：電阻式拉線位移傳感器；（4）體重測量：YZC-664稱重傳感器；（5）肺活量測量：肺活量傳感器MPX2010DP；（6） 無線傳送方面：藍(lán)牙模塊；（7）短信發(fā)送功能：TC35i型GSM開發(fā)板；（8）AD模塊： 24位AD轉(zhuǎn)換器ADS1256（肺活量傳感器信號處理）；24位AD轉(zhuǎn)換器HX711（體重傳感器信號處理）

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1肺活量測量電路設(shè)計

采用壓力傳感器MPX2010DP作為主要測量元件，而該傳感器得到的為一差分模擬信號，并且題目要求肺活量的測量精度達(dá)到1ml，測量范圍為8000ml，需采用24位的AD方能達(dá)到題目要求，此系統(tǒng)選用AD精度最高可達(dá)12位的單片機，顯然與題目要求不符。因此通過將MPX2010DP輸出的信號接入常見的如AD620儀表放大器中得到單路輸出模擬信號，再將該單路模擬信號送至24位的ADS1256模塊中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，直接將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送入單片機處理，即可滿足題目要求。

2.2體重測量電路設(shè)計

體重測量電路采用應(yīng)變式的壓力傳感器YZC-664稱重傳感器，該傳感器測量得到的模擬信號是一個差值大于0mv小于20mv的差分信號，分析論證方案之后得出，這個信號可利用專業(yè)差分信號處理模塊HX711處理，最終信號較穩(wěn)定，且能滿足題目要求，因此將P1端子代表的差分信號直接接至HX711的差分輸入端即可，電路設(shè)計相對簡單，并且性能穩(wěn)定，測量結(jié)果滿足題目要求。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)本系統(tǒng)的相關(guān)要求，依次通過外部按鍵設(shè)置進(jìn)入校園卡錄入信息、身高、體重、肺活量參數(shù)測量操作，待所有上述操作完成后，可選擇通過GSM短信發(fā)送模塊和無線傳輸方式將測試者測試信息傳送到指定的手機客戶端和安卓平板電腦的客戶端上。經(jīng)過上述系列分析論證可知，軟件系統(tǒng)的設(shè)計過程應(yīng)為：先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化；液晶主菜單刷新顯示；獲取被測試者信息可以借助刷校園卡的方式，像學(xué)號、姓名等這樣的個人信息都可以得到；然后在測量相應(yīng)的參數(shù)時，我們需要利用按鍵處理程序來進(jìn)行選擇。所有參數(shù)測量結(jié)束后，再選擇相應(yīng)的按鍵執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳送任務(wù)。

四、測試結(jié)果與結(jié)論

4.1測試結(jié)果

對電阻式拉線位移傳感器和稱重傳感器輸出信號的測試結(jié)果分別如表1和表2所示。電阻式拉線位移傳感器的輸出電壓值精確度可達(dá)小數(shù)點后兩位，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后其精度能滿足精確到1mm的要求，稱重傳感器測量輸出信號的差分值達(dá)到了小數(shù)點后三位，經(jīng)過24位AD HX711的轉(zhuǎn)換后，同樣能滿足精確到0.1kg的要求。

4.2結(jié)論

根據(jù)題目要求，該設(shè)計完成了所要求的基本功能，可實現(xiàn)被測試者校園卡信息的刷新顯示、身高、體重、肺活量等參數(shù)的測量。并且可將測試結(jié)果傳輸 到手機或安卓平板電腦端予以顯示，較方便測試者了解自己的信息，且數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，具有參考價值。

參 考 文 獻(xiàn)

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