王軍峰，姚福安，馬源哲

（1.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟南 250061；2.青島科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，青島 266061）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及人民生活水平的提高，越來越多的人開始進(jìn)行有計劃的體育鍛煉，追求一種更加健康的生活方式。人們關(guān)注自身的健康狀況，需要科學(xué)準(zhǔn)確、簡單易用的測量儀器來檢測鍛煉效果。在此，結(jié)合人體的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計出能夠準(zhǔn)確測量人體身高、體重、肺活量等關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，并將所測數(shù)據(jù)發(fā)送到測量者手機上的人體體質(zhì)測量儀。該測量儀不僅可以使測量者實時了解自己的身體參數(shù)，還可以語音播報健康狀況，具有良好的實用價值。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

人體體質(zhì)測量儀的系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。測量系統(tǒng)以TI公司MSP430F5529低功耗16位單片機作為控制核心[1]，采用模塊化設(shè)計思想，主要由以下功能子模塊組成：電源穩(wěn)壓模塊、液晶顯示模塊、超聲波模塊、橋式稱重傳感器、肺活量傳感器、藍(lán)牙模塊、GSM模塊、步進(jìn)電機及驅(qū)動模塊、語音模塊等。

圖1 系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)Fig.1 System hardware connection structure

由于系統(tǒng)的組成模塊以及執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量較多，在軟件設(shè)計上需要具有任務(wù)切換功能。該系統(tǒng)采用前后臺程序設(shè)計方式，在功能選擇按鍵的中斷服務(wù)程序中對功能選擇變量賦值，退出中斷后進(jìn)入主函數(shù)的循環(huán)體并執(zhí)行相應(yīng)的功能子函數(shù)，由此實現(xiàn)系統(tǒng)功能任務(wù)的選擇與切換。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 橋式稱重傳感器電路

橋式稱重傳感器是一種能將被測試件的應(yīng)變變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的檢測元件[2]。系統(tǒng)采用4個橋式稱重傳感器采集重量信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過INA333儀表放大器對信號進(jìn)行放大，將放大后的信號通過ADS1115進(jìn)行轉(zhuǎn)換。4個稱重傳感器組成電路的量程為200 kg。其電路如圖2所示。其中，R1電阻與R2電阻在不受力時電阻值相等；受力后R1電阻值將變大，而R2電阻值將變小。

圖2 橋式稱重傳感器電路Fig.2 Bridge type weighing sensor circuit

選用INA333儀表放大器作為體重測量模塊的信號放大器。根據(jù)實際測量的稱重傳感器信號輸出特性曲線，將放大器的放大倍數(shù)設(shè)為300。輸出電壓與體重的關(guān)系如圖3所示。

圖3 稱重傳感器特性曲線Fig.3 Characteristic curve of weighing sensor

2.2 HC-SR05超聲波測距模塊

HC-SR05超聲波測距模塊用于身高的間接測量，其可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，精度為2 mm。該模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器與控制電路，其電路如圖4所示。

圖4 超聲波模塊電路Fig.4 Ultrasonic module circuit

該模塊的工作原理是：采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，施加至少10 μs的高電平信號，模塊自動發(fā)送10個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過I/O口ECH0輸出1個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲從發(fā)射到返回的時間[3]。利用MSP430F5529單片機的捕獲單元可以精準(zhǔn)獲得該高電平的持續(xù)時間。

超聲波模塊探頭距離地面稱重傳感器受力面板距離為230 cm，設(shè)超聲波模塊測得探頭與身高測量升降臺距離為h，則h=（高電平時間×聲速）/2，進(jìn)而可得 H=（230-h），式中 H 為身高，cm。

2.3 肺活量傳感器

肺活量傳感器核心為MPXV7002DP壓力傳感器。該傳感器量程為100～9999 mL。其分度值為1 mL，精度為±1.5%。由于肺活量傳感器在沒有氣體輸入的情況下會輸出1.3 V電壓，因此需要將傳感器輸出的電壓信號通過OPA 2227組成的減法器進(jìn)行處理，再經(jīng)過INA 333儀表放大器進(jìn)行放大，信號調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 肺活量傳感器信號調(diào)理電路Fig.5 Signal conditioning circuit for lung capacity sensor

2.4 HC-05藍(lán)牙模塊

HC-05藍(lán)牙模塊遵循藍(lán)牙V2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)范，最高傳輸速率可達(dá)2.1 MB，最大穩(wěn)定傳輸距離為20 m。該模塊采用串行通信的方式與MSP430F5529單片機的串口通信單元連接，通過該模塊將測量數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)桨沧渴謾C。該模塊電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu)

測量系統(tǒng)采用前后臺編程模式，即在主循環(huán)中處理各子任務(wù)，在中斷服務(wù)程序中處理突發(fā)情況[4]。系統(tǒng)的中斷來源于功能選擇按鍵，在其中斷服務(wù)程序中對任務(wù)選擇變量賦值，各功能有其唯一的編碼號，在退出中斷服務(wù)程序后根據(jù)編碼號進(jìn)入循環(huán)體執(zhí)行選擇的功能。測量系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。

圖6 藍(lán)牙模塊電路Fig.6 Bluetooth module circuit

圖7 系統(tǒng)軟件流程Fig.7 System software flow chart

系統(tǒng)上電后，單片機首先執(zhí)行時鐘初始化子程序，配置系統(tǒng)時鐘。然后，初始化各輸入輸出口、定時器的捕獲單元、串口通信單元以及功能選擇變量。在所有初始化任務(wù)執(zhí)行完畢后，程序進(jìn)入主循環(huán)，執(zhí)行測量者選擇的功能。

3.2 任務(wù)選擇與切換程序設(shè)計

MSP430F5529單片機I/O口具有中斷功能，可利用該功能實現(xiàn)功能選擇按鍵的設(shè)計。在所有函數(shù)外面聲明一個全局變量用于保存功能選擇，即為功能選擇變量。該變量在功能選擇按鍵的中斷服務(wù)程序中隨著按鍵次數(shù)逐步自增1，同時在液晶屏上顯示目前所選擇的功能。當(dāng)功能選擇變量值≥6時，在中斷服務(wù)程序中重新置零。

退出中斷后，程序回到主循環(huán)。循環(huán)體包含一個switch-case結(jié)構(gòu)，參照變量即為功能選擇變量。程序根據(jù)測量者選擇的功能，進(jìn)入相應(yīng)的子函數(shù)分支。在執(zhí)行完相應(yīng)的子函數(shù)后將功能選擇變量重新置零。

4 結(jié)語

人體體質(zhì)測量儀實現(xiàn)了對人體身高、體重、肺活量的準(zhǔn)確測量，并能夠?qū)y量數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機上。其測量系統(tǒng)運行自動化程度高，使用簡單可靠，能夠作為人們體育鍛煉效果檢測的科學(xué)工具。

參考文獻(xiàn)：

[1]任保宏，徐科軍.MSP430單片機原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]尹福炎.電阻應(yīng)變片與應(yīng)變傳遞原理研究[J].衡器，2010，39（2）：1-8.

[3]胡萍.超聲波測距儀的研制[J].計算機與現(xiàn)代化，2003，19（10）：54-56.

[4]王蘇峰，陸洪毅，肖儂.前后臺系統(tǒng)漸進(jìn)式比較教學(xué)方法探索[J].計算機工程與科學(xué)，2014，36（A1）：100-102.