牛子健，李龍彬，唐 川，陳初陽，盧文濤，馬華紅

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

全自動人體健康秤是電子秤的一種，而電子秤種類很多，主要可分為兩種形式，一種是以儀表盤為顯示方式的電子秤[1]，在市面上較為常見，其測量范圍比較廣但精度不高，在測量時，肉眼讀數(shù)也容易產(chǎn)生較大誤差；另外一種是以數(shù)字形式顯示的電子秤，該類型采用數(shù)字技術(shù)，方便人們進(jìn)行讀數(shù)，減少了很多不必要的誤差。但是一般來說，其測量范圍沒有指針式范圍廣，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。本次課題采用的就是數(shù)字形式顯示屏的電子秤[2]，它主要實(shí)現(xiàn)身高、體重的自動測量、身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)計算以及存儲等功能。同時，全自動人體健康秤也具有普通電子秤缺乏的智能語音播報功能和健康提示功能。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計

圖1 人體健康秤總系統(tǒng)框圖

全自動人體健康秤設(shè)計系統(tǒng)主要可分為八個模塊：系統(tǒng)控制模塊、采樣模塊、語音播報模塊、顯示模塊、存儲模塊、按鍵模塊、報警模塊、無線通訊模塊。

1.1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊作為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)讀取采樣模塊中各個芯片的數(shù)據(jù)，并根據(jù)算法生成相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)的樣值轉(zhuǎn)送至存儲模塊。系統(tǒng)控制模塊分為主控制器和副控制器兩部分，通過無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)主副兩塊微處理器的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，主控制器將綜合處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊和語音模塊進(jìn)行定時刷新顯示與播報。

1.2 顯示模塊

顯示模塊作為人機(jī)交互界面的主要部分，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)控制模塊中存儲的各項(xiàng)身體數(shù)據(jù)顯示出來。本設(shè)計顯示模塊采用的是TFTLCD顯示芯片，通過電壓控制顯示器顯示各種灰階，用晶體管表面薄膜產(chǎn)生電壓，然后再利用其控制液晶投向顯示屏上，通過改變電阻值改變晶體管集電極電流大小，進(jìn)而控制顯示屏幕的亮度。

1.3 存儲模塊

存儲模塊負(fù)責(zé)暫存每次采集數(shù)據(jù)的樣本的平均值，用戶通過多次測量可以生成歷史數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的是TF_CARD存儲芯片。

1.4 按鍵模塊

按鍵模塊作為人機(jī)交互界面的一部分，用戶可以通過按下不同按鍵設(shè)置不同測量模式和顯示界面，分別完成相應(yīng)操作。在本次設(shè)計中，當(dāng)按下home按鍵時，進(jìn)入主菜單欄，顯示系統(tǒng)的主要功能；按下前進(jìn)或后退按鍵，可選擇不同的工作模式；再按下確認(rèn)鍵即進(jìn)入該模式，執(zhí)行相應(yīng)的測量功能；按下開始/結(jié)束按鍵時，會進(jìn)入/脫離休眠模式，在休眠模式中設(shè)備將會以一個極低功耗運(yùn)行。

1.5 無線通訊模塊

無線通訊模塊負(fù)責(zé)完成主副控制器的數(shù)據(jù)接收發(fā)送，副控制器將采集到的身高相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器中。NRF2401是一單芯片型廣播式無線射頻收發(fā)機(jī)，它采用全球普遍使用的2.4～2.5GHz傳輸通信頻率。通過對3線串行接口的使用，可以很簡單地對功率輸出與通道頻率進(jìn)行編程處理。內(nèi)置掉電模式可以更好地實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約。

1.6 語音/報警模塊

本系統(tǒng)語音播報模塊將單次測量顯示的信息生成文本并播報，滿足用戶對設(shè)備智能化的要求。SYN6288提供一組全雙工的異步串行通訊(UART)接口，實(shí)現(xiàn)與微處理器的數(shù)據(jù)傳輸。SYN6288內(nèi)置了推挽式的DAC，可直接驅(qū)動喇叭進(jìn)行語音播報。

1.7 采樣模塊

采樣模塊包括體重、身高以及心率血氧三部分的采樣。

體重：由電阻應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，兩個50kg量程的半橋式壓力傳感器并聯(lián)構(gòu)成全橋使得量程擴(kuò)大為100kg，壓力使得傳感器應(yīng)變片的形變產(chǎn)生微弱的模擬電信號，由HX7111芯片采集電信號并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。芯片通過串口通信與主控制器進(jìn)行通訊，主控制器根據(jù)相應(yīng)的算法將芯片輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為體重值。

身高：利用HC-SR04超聲波測距模塊，根據(jù)超聲波發(fā)送和接收之間的間隔時間可以推算出障礙物與傳感器的距離,通過公式計算測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。

副控制器再根據(jù)其接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成身高數(shù)值。

心率血氧測量：心率血氧的采集由MAX30102模塊完成，送往主控制模塊處理，生成心率血氧數(shù)據(jù)。

當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導(dǎo)致這光束的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。只需要將手指頭緊貼在傳感器上，就能估計脈搏血氧飽和度(SpO2)及脈搏(相當(dāng)于心跳)。攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光(850-1000nm)，未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅光(600-750nm)，因此pulse oximeter就是一個迷你的分光計，利用不同紅血球之吸收光譜的原理，來分析血氧飽和度。這種實(shí)時而快速的測量方式，也廣泛被運(yùn)用在許多臨床的參考。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 處理器選型

本產(chǎn)品處理器選擇的型號為意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6。處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72MHz。同時還具有高達(dá)64kB的Flash。芯片還具有豐富的通用I/O端口，外設(shè)資源豐富，能完全滿足產(chǎn)品的功能需要。

2.2 壓力檢測電路

具有壓阻效應(yīng)的材料有很多種，絕大多數(shù)的金屬材料以及半導(dǎo)體材料都具有壓阻效應(yīng)，通過檢測發(fā)現(xiàn)，金屬材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料，相比電容式和壓電式,電阻應(yīng)變式數(shù)據(jù)浮動較小,使用時間相對較長，反應(yīng)快，不受制于使用環(huán)境和溫度。因此，應(yīng)變式傳感器的使用頻率和生產(chǎn)量都比較多，它主要是通過改變電橋進(jìn)行測量。

2.3 超聲波模塊

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚?/p>

1) 采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10μs的高電平信號;

2) 模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

3) 有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2.

2.4 心率血氧檢測芯片(MAX30102)

MAX30102使用1.8V和5V作為常規(guī)供電。

芯片外圍電路十分簡單，僅需要一個供電電路以及幾個上拉電阻即可，對外通信采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口，此外，該傳感器在功耗方面也具有極大的優(yōu)勢，其待機(jī)功率幾乎可以忽略，因此目前一些手機(jī)及可穿戴智能硬件產(chǎn)品大量采用該芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體軟件設(shè)計

系統(tǒng)開機(jī)并初始化后，由處理器內(nèi)部定時器中斷檢測按鍵是否按下，當(dāng)相應(yīng)的標(biāo)志位分別置位后，進(jìn)入各個功能的測量程序，最后將測得的數(shù)值進(jìn)行定時刷新顯示，以及相應(yīng)的語音播報。

3.2 體重測量軟件設(shè)計

當(dāng)發(fā)出測量指令后，處理器讀取HX711芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)并根據(jù)公式計算出質(zhì)量，以確定體重數(shù)值。

圖2 體重測量流程圖

3.3 身高測量軟件設(shè)計

利用超聲波反射原理，當(dāng)發(fā)出測量指令后，處理器計算發(fā)射信號與返回信號的時間差，據(jù)此計算出相應(yīng)的距離，以確定人體身高。

3.4 心率血氧測量軟件設(shè)計

心率血氧測量是利用光電容積法的基本原理，利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測量。通過讀取MAX30102本身的FIFO得到轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值，進(jìn)而編寫算法得到心率值和血氧飽和度。

圖3 身高測量流程圖

圖4 心率血氧采集過程流程圖

3.5 結(jié)果測試

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試過程描述，結(jié)果顯示。

圖5 健康秤身高測試結(jié)果

圖6 健康秤體重與心率血氧測試結(jié)果

4 總結(jié)

本設(shè)計是基于STM32完成的全自動人體健康秤。系統(tǒng)能夠完成人體身高、體重和心率血氧方面測量以及BMI等數(shù)值的計算；本設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于測量功能的多樣化，集多項(xiàng)人體健康指標(biāo)測量于一身，滿足用戶的多樣化需求。可隨時掌握身體數(shù)據(jù)變化趨勢，智能化生成科學(xué)飲食與運(yùn)動建議。數(shù)字形式的電子秤替代以模擬電路形式電子秤，基于集成化的微處理器為主控設(shè)計方案也大大提高了數(shù)據(jù)的可靠性與精度。