12014山東大學生電子設計競賽論文題目:簡易綜合體質測量儀論文編號：參賽學校：參賽學生：王洋田璽祥宋現義聯系方式指導教師：二○一四年九月簡易綜合體質測量儀摘要：本設計采用TI公司生產的LM3S1138單片機為簡易綜合體質測量儀的控制核心，配合高度測量模塊、重量檢測模塊、肺活量讀取模塊、無線通訊模塊、模塊和人體交互界面，不僅實現了身體各項指標的精確檢測與身體健康指數的判斷，而且能使被測數據通過無線的方式傳輸并顯示在平板電腦上。系統運行過程中，單片機通過對各模塊信號的處理，不但可以使傳輸到平板電腦上的數據可以導出，而且可以使數據通過短信的方式發送到指定的手機上。另外為了使系統具有更好的實用性，系統額外增加了脈搏測量模塊和語音提示模塊。經測試，基本要求全部完成，發揮功能也成功實現。關鍵詞：LM3S1138；無線通信；射頻識別；1系統方案1.1方案比較與選擇1.1.1體質測量儀的核心方案一：采用AT89C52單片機。該單片機優點是成本低，但能夠使用的片內外設資源有限，接口個數少，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公司生產的LM3S1138單片機。該單片機內設資源非常豐富。速度快、成本低、功耗小，可以處理相對較多的外部中斷；并且還有多個GPIO、多個A/D轉換端口和多個UART異步收發傳輸器。綜上考慮，本系統程序復雜需要多個UART異步收發傳輸器，而LM3S1138有豐富的內置和外設資源，多個A/D轉換端口和UART異步收發傳輸器，其比AT89C52更符合簡易綜合測量儀復雜的控制系統，因此選擇方案二。1.1.2高度測量模塊方案一：采用激光測距。激光測距的優點是精度高、速度快，缺點是制作難度較大，成本較高，而且光學系統對環境要求較高。方案二：采用超聲波測距。超聲波測距的優點是指向性好、傳播距離遠，具有高探測精度，超聲波檢測距離設計和計算處理比較簡單。KS103型超聲波傳感器測量范圍1cm-8m、最高精度達1mm，遠遠滿足題目精度為5.0mm，誤差±5.0mm綜合對比，選擇方案二。1.1.3重量檢測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。本系統選擇A/D為24位、精度等級為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，把弱信號放大430倍，轉換成范圍在0-5V內的電壓，再經過MCU的AD口讀出電壓值。精確度可以達到0.05ml，誤差±0.5ml。1.2總體方案與系統結構框圖系統由LM3S1138單片機控制，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、射頻識別電路、人機交互界面組成。系統運行過程中，單片機通過對超聲波傳感器、稱重傳感器、肺活量傳感器、壓力傳感器和射頻識別電路的信號處理，不僅實現了身體各項指標的精確檢測與肺活量/體重指數的判斷，使被測數據和信息通過無線的方式傳輸并顯示在基于安卓的數據可以導出的平板電腦上，而且還可以使數據通過短信的方式發送到指定的手機上。系統結構框圖如圖1所示。圖1系統結構框圖2理論分析與計算2.1超聲波傳感器的分析與計算超聲波發生器在某一時刻發出超聲波信號,遇到人體頭部后反射回來，被超聲波接收器接收到，從而測出發射和接收回波的時間差t,知道在介質中超聲波的傳播速度為340m/s，就可以計算出距被測物體的距離：

（2.1）其中d為被測物到測距儀之間的距離，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；簡易綜合體質測量儀的架構如圖3所示。圖2超聲波發生器工作方式原理圖圖3測量儀的架構圖2.2稱重傳感器的理論分析與計算本系統所用稱重傳感器為電阻應變式稱重傳感器。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稱重傳感器受到固定力F作用時,由于四個電阻值相等，此時電橋?U輸出最大。稱重傳感器輸出的電壓與重量之間的關系如圖5所示。圖5稱重傳感器輸出的電壓與實際重量之間的關系由擬合曲線得電壓與重量的關系為y=0.0358x+0.053。當知道電壓輸出值y時，跟據輸出電壓與實際重量之間的關系式，很容易反求重量x。2.3肺活量傳感器的理論分析與計算氣壓傳感器MPX2010DP為差壓式傳感器，有正氣壓和負氣壓兩個接口，利用輸出電壓隨正氣壓和負氣壓之間差值增加而增加的線性關系，來測肺活量。經測試，大氣壓力與輸出電壓差的擬合前后關系如圖6所示。圖6實測大氣壓力與輸出電壓差的擬合前后關系圖根據流體力學的知識，流量，（S是測試管的截面積，v是氣體的流速），來測量肺活量。而（x為壓力），因而可得：（2.2）有擬合公式y=328.82x-6308可知：在知道輸出電壓差y前提下，反求易得氣壓x。經過積分（多次累加和）實現肺活量的測定。3電路與程序設計3.1電路設計3.1.1肺活量傳感器的電路設計采用MPX2010DP作為壓力傳感器，經AD620放大，轉換成范圍在0-5V內的電壓，再經過MCU的AD口讀出電壓值。傳感器的輸出正負端分別接圖中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實現濾波功能。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稱重模塊差動放大器的從稱重傳感器測量電路出來的模擬信號很微弱，必須通過放大器電路對其進行一定倍數的放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求。通過調節R0電阻的大小從而調整了差動放大器的放大倍數。本系統選取A/D為24位的傳感器，使系統測試數據更加準確。差動放大器的電路如圖8所示。圖8稱重模塊差動放大器的電路設計3.1.3超聲波傳感器的電路設計超聲波的接收電路利用CX20106A芯片制作而成。適當更改電容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的數值能改變前置放大器的增益和頻率特性；R5用以設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，會使探測距離變短。超聲波的發射電路主要由

74LS04反相器及超聲波發生器組成

。通過程序由單片機產生

40kHz的振蕩信號

，驅動超聲波發生傳感器

UCM40T發出

40kHz

的超聲波脈沖。如附錄圖四所示。3.2程序結構與設計系統采用模塊化設計，單片機通過對高度測量模塊、重量檢測模塊、脈搏測量模塊、肺活量讀取模塊和射頻識別模塊的信號處理，使身體各項測量指標的數據顯示在液晶上；通過按鍵控制選擇，能使被測數據和信息通過無線的方式傳輸并顯示在基于安卓的數據可以導出的平板電腦上，還可以使數據通過短信的的方式發送到指定的手機上。系統總體程序如圖9所示。超聲波的程序處于鍵控循環里，超聲波檢測的程序如圖10所示。圖9系統總體程序圖圖10超聲波檢測程序非接觸式IC卡讀寫器、平板顯示、短信發送的軟件采用積木式模塊設計。其主要模塊程序由鍵盤掃描、液晶動態顯示、讀寫器及與上位機通信等，采集數據程序流程框如圖11所示圖11采集數據程序流程框4測試方案與測試結果4.1測試儀器MY60數字萬用表、DG1012信號發生器、1000ml注射器、綜合體質測量儀4.2測試方法及結果基本部分測試：首先將標準的1000ml空氣用注射器完全推入測試吹嘴，來標定精度；待精度達到要求后隨機選取4人，分別發磁卡測試身高、肺活量、脈搏和體重；再將這4人分別在DHM-200體質測量儀上重測，測試后對比數據。測試結果如表1所示。表1基本部分測試數據被測人1234數據類型標值測試標值測試標值測試標值測試注射器標定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體質是否合格及格良好良好及格卡號顯示201104105301201104105302201104105303201104105304發揮部分測試：在基本部分測試的基礎上，首先讓4位被測人的信息以無線傳輸的方式顯示在平板上，并且具有數據導出功能；接著把被測人的信息以短信的方式發送到他們的手機上。測試結果如表2所示。表2發揮部分測試數據測試人編號1234平板顯示數據（無線）完全顯示完全顯示完全顯示完全顯示數據能否導出能能能能被測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結論根據上述測試數據和實際觀察，系統完全達到了設計要求。在基礎部分實現了身高、體重、肺活量的精確測量；發揮部分不但能使被測數據通過無線的方式傳輸并顯示在數據可以導出的平板電腦上，并且被測數據能以短信方式發在指定手機上。5總結本系統采用TI公司生產的LM3S1138單片機為控制核心的簡易綜合體質測量儀系統，配合其它模塊，在基礎部分不僅實現了身高、體重、肺活量的精確測量，而且額外增加了測脈搏的功能，從而使本系統更具有實用性；發揮部分不但能使被測數據通過無線的方式傳輸并顯示在數據可以導出的平板電腦上以及能以短信方式發在指定手機上，而且增加了聲音提示模塊，使系統具有更好的人機交互界面。測試結果表明系統穩定，具有較高的測量精度，抗干擾能力強。參考文獻[1]郁有文，常鍵編著傳感器原理及工程應用西安：西安電子科技大學出版社，2003。[2]譚浩強.C語言程序設計(第三版)[M]北京：清華大學出版社，2005。[3]閻石.數字電子技術基礎