宋森森，趙麗娜，劉鳳林

（1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，青島266590；2.山東省食品藥品監(jiān)督管理局審評認證中心）

MSP430的低功耗人體生理參數(shù)綜合測量儀

宋森森1，趙麗娜1，劉鳳林2

（1.山東科技大學電氣與自動化工程學院，青島266590；2.山東省食品藥品監(jiān)督管理局審評認證中心）

本測量儀主要用于學校、醫(yī)院、體檢中心、部隊等場所，目的是節(jié)約體檢時的人力、物力、財力和體檢時間，提高體檢精度。測量儀采用MSP430系列單片機作為主控制器，用來測量身高、體重、肺活量、血壓、心率等人體生理參數(shù)。測量結果可通過LCD直觀顯示出來，并通過打印機接口傳送到微型熱敏打印機直接打印。實驗結果表明，該測量儀具有高精度、寬量程、低功耗、使用簡單可靠、各生理參數(shù)測量一體化等特點。

傳感器；MSP430；低功耗；信號調(diào)理

引言

當今社會人們越來越關注醫(yī)療衛(wèi)生和保健，敬老院、學校、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，運用微控制器強大的運算、處理和控制能力，設計一款低功耗綜合性的測量儀。

本文采用MSP430F5529單片機作為主控制器，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)測量儀的設計方案。

1 系統(tǒng)總體硬件設計

作為儀表類設計，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單片機和相應高精度低功耗器件。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結構框圖

1.1 主控制器

MSP430F5529是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，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基準電壓給拉線電位器供電，同時接入單片機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A/D轉(zhuǎn)換器通道2，這樣設計有助于消除A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差并可有效抑制溫漂，在接下來的軟件設計中會有身高測量值的具體計算方法。

圖2 身高檢測模塊電路圖

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±0.05 kg。該傳感器精度高、結構簡單緊湊、抗偏載能力強。

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、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點，降低了測量儀的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。設計中通過編程設置放大倍數(shù)為64，對應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，上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程，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。

圖3 體重檢測模塊電路圖

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、溫漂和非線性進行數(shù)字補償。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、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)換器進行采樣，對氣體流動壓力進行軟件積分即可測量出人體呼氣的流量，經(jīng)過標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。

圖4 心率傳感器輸出信號波形

1.6 實時日歷時間模塊

采用美國DALLAS公司推出的具有涓細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、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。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行涓細電流充電的能力。日歷時間模塊電路圖如圖5所示。

圖5 日歷時間模塊電路圖

1.7 打印機接口和RS232通信接口

設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，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)送給打印機進行打印。

2 軟件程序設計

該系統(tǒng)采用MSP430為主控制器，利用C語言進行編程，簡單明了，結構緊湊。

2.1 主程序設計

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)的值進行實時顯示，待測數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后單片機自動將數(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基準電壓接入單片機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進入一次服務程序，對傳感器前后兩次輸出的數(shù)值進行對比，當差值大于最小臨界點時即自動開始對傳感器氣流壓力進行軟件積分，每5 ms累積一次，然后當小于最小臨界點時判斷測量完畢并停止積分。經(jīng)過標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）。

程序分模塊設計，各模塊調(diào)試、參數(shù)標定、精度調(diào)節(jié)分開進行，軟件系統(tǒng)具有很大的靈活性。

圖6 程序主流程圖

結語

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

表1 測試結果對比

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，由于機械式體重表本身精度就不高，測量數(shù)據(jù)具有

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Low Power Human Physiological Parameters Measurement Instrument Based on MSP430

Song Sensen1，Zhao Lina1，Liu Fenglin2

（1.College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.Certification Center of Shandong Food and Drug Administration）

This measuring instrument is mainly used for schools，hospitals，medical centers，armed forces and other places，because it can save medical manpower and material resources，financial resources and physical examination time，and improve the physical accuracy.The measuring instrument takes MSP430 series MCU as the main controller，it is used to measure such as human physiological parameters the height，weight，vital capacity，blood pressure，heart rate and so on.The measurement results can be displayed in LCD screen，and the data can be sent to the micro thermal printer through the printer interface to print directly.The experimental results show that the measuring instrument has the characteristics such as high precision，wide range，low power consumption，simple to use and reliable，integration of various physiological parameters measurement and so on.

sensor；MSP430；low-power consumption；signal disposal

TP311

A