MSP430的低功耗人體生理參數(shù)綜合測(cè)量?jī)x

宋森森，趙麗娜，劉鳳林

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，青島266590；2.山東省食品藥品監(jiān)督管理局審評(píng)認(rèn)證中心）

MSP430的低功耗人體生理參數(shù)綜合測(cè)量?jī)x

宋森森1，趙麗娜1，劉鳳林2

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，青島266590；2.山東省食品藥品監(jiān)督管理局審評(píng)認(rèn)證中心）

本測(cè)量?jī)x主要用于學(xué)校、醫(yī)院、體檢中心、部隊(duì)等場(chǎng)所，目的是節(jié)約體檢時(shí)的人力、物力、財(cái)力和體檢時(shí)間，提高體檢精度。測(cè)量?jī)x采用MSP430系列單片機(jī)作為主控制器，用來測(cè)量身高、體重、肺活量、血壓、心率等人體生理參數(shù)。測(cè)量結(jié)果可通過LCD直觀顯示出來，并通過打印機(jī)接口傳送到微型熱敏打印機(jī)直接打印。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量?jī)x具有高精度、寬量程、低功耗、使用簡(jiǎn)單可靠、各生理參數(shù)測(cè)量一體化等特點(diǎn)。

傳感器；MSP430；低功耗；信號(hào)調(diào)理

引言

當(dāng)今社會(huì)人們?cè)絹碓疥P(guān)注醫(yī)療衛(wèi)生和保健，敬老院、學(xué)校、部隊(duì)等集體單位體檢時(shí)，身高、體重、心率、肺活量等基本生理參數(shù)的測(cè)量大多是分開進(jìn)行或部分合在一起測(cè)量，并且這些測(cè)量?jī)x器體積較大、操作繁瑣且精度不夠，在很大程度上浪費(fèi)了人力、物力、財(cái)力和體檢時(shí)間。因此，有必要利用現(xiàn)在成熟的電子技術(shù)，運(yùn)用微控制器強(qiáng)大的運(yùn)算、處理和控制能力，設(shè)計(jì)一款低功耗綜合性的測(cè)量?jī)x。

本文采用MSP430F5529單片機(jī)作為主控制器，利用各個(gè)生理參數(shù)測(cè)量傳感器，提出了一種低功耗綜合體質(zhì)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

作為儀表類設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的測(cè)量精度和功耗是主要考慮的因素，因此選用了MSP430F5529單片機(jī)和相應(yīng)高精度低功耗器件。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控制器

MSP430F5529是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，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(jiǎn)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(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；具有高效的查表處理指令，這些特點(diǎn)保證了單片機(jī)可編制出高效率的源程序。其能在25 MHz晶振的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)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(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(yùn)行時(shí)鐘方面設(shè)計(jì)出色，具有超低功耗。

1.2 身高檢測(cè)模塊

身高檢測(cè)模塊采用WF20D電阻式位移傳感器，獨(dú)立線性公差為精密級(jí)±0.1%，拉線長(zhǎng)度為1000 mm，外形小巧、堅(jiān)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(zhǔn)電壓給拉線電位器供電，同時(shí)接入單片機(jī)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(jī)A/D轉(zhuǎn)換器通道2，這樣設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中會(huì)有身高測(cè)量值的具體計(jì)算方法。

圖2 身高檢測(cè)模塊電路圖

1.3 體重檢測(cè)模塊

體重檢測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗偏載能力強(qiáng)。

為了提高測(cè)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(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，降低了測(cè)量?jī)x的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。設(shè)計(jì)中通過編程設(shè)置放大倍數(shù)為64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)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(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件，上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開機(jī)的初始化過程，芯片與MCU通過I2C總線串行通信，接口簡(jiǎn)單方便。體重檢測(cè)模塊電路圖如圖3所示。

圖3 體重檢測(cè)模塊電路圖

1.4 肺活量檢測(cè)模塊

肺活量檢測(cè)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(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。其內(nèi)部集成了信號(hào)放大電路，傳感器測(cè)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(qiáng)、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(jìn)行采樣，對(duì)氣體流動(dòng)壓力進(jìn)行軟件積分即可測(cè)量出人體呼氣的流量，經(jīng)過標(biāo)定從而計(jì)算出人體肺活量。

1.5 心率檢測(cè)模塊

心率檢測(cè)采用HKG-07系列傳感器，該傳感器利用紅外線檢測(cè)，由于心臟跳動(dòng)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(hào)放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)（如圖4所示），經(jīng)過單片機(jī)簡(jiǎn)單計(jì)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(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)主要用于臨床上心率的計(jì)數(shù)、監(jiān)測(cè)等。

圖4 心率傳感器輸出信號(hào)波形

1.6 實(shí)時(shí)日歷時(shí)間模塊

采用美國(guó)DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)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(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)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(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。日歷時(shí)間模塊電路圖如圖5所示。

圖5 日歷時(shí)間模塊電路圖

1.7 打印機(jī)接口和RS232通信接口

設(shè)計(jì)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(jī)，按下打印按鍵時(shí)，MSP430將日期時(shí)間和各項(xiàng)測(cè)量的參數(shù)通過串口發(fā)送給打印機(jī)進(jìn)行打印。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用MSP430為主控制器，利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，簡(jiǎn)單明了，結(jié)構(gòu)緊湊。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電初始化之后，顯示時(shí)間和日期等信息，等待各被測(cè)者生理參數(shù)的測(cè)量。程序主流程圖如圖6所示，在主循環(huán)中實(shí)時(shí)讀取各參數(shù)的值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，待測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后單片機(jī)自動(dòng)將數(shù)據(jù)裝入數(shù)組u32 LAST_Data［］，數(shù)據(jù)格式為測(cè)量編號(hào)、日期時(shí)間、身高、體重、肺活量、心率、血壓，每個(gè)數(shù)據(jù)各占4個(gè)字節(jié)。

2.2 各模塊子程序設(shè)計(jì)

在各個(gè)參數(shù)測(cè)量中，為了減小誤差采用了均值濾波，在測(cè)量身高的時(shí)候同時(shí)將2.5 V基準(zhǔn)電壓接入單片機(jī)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(jī)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(shí)際身高為H_Real=（1000×H_Data/H_Data_refer+1000），可精確到2 mm。

肺活量測(cè)量時(shí)，采樣周期為5 ms，具體為采用定時(shí)器定時(shí)5 ms，每5 ms進(jìn)入一次服務(wù)程序，對(duì)傳感器前后兩次輸出的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)差值大于最小臨界點(diǎn)時(shí)即自動(dòng)開始對(duì)傳感器氣流壓力進(jìn)行軟件積分，每5 ms累積一次，然后當(dāng)小于最小臨界點(diǎn)時(shí)判斷測(cè)量完畢并停止積分。經(jīng)過標(biāo)定即可得到最終肺活量的數(shù)值。

心率檢測(cè)傳感器已經(jīng)把心率信號(hào)調(diào)理成同步脈沖，利用定時(shí)器外部脈沖觸發(fā)，上升沿到來使能定時(shí)，為了減小誤差，累計(jì)10次上升沿的時(shí)間，心率計(jì)算公式為H_ Rate=60×10/（T2-T1）。

程序分模塊設(shè)計(jì)，各模塊調(diào)試、參數(shù)標(biāo)定、精度調(diào)節(jié)分開進(jìn)行，軟件系統(tǒng)具有很大的靈活性。

圖6 程序主流程圖

結(jié)語(yǔ)

選取5組被測(cè)者對(duì)本測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試。通過現(xiàn)有機(jī)械式和在售的分立式電子測(cè)量?jī)x所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所列。

表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

身高測(cè)量中由于讀數(shù)等存在誤差，使得該測(cè)量?jī)x器和實(shí)際測(cè)量存在≤5 cm的誤差可能性；體重對(duì)比測(cè)量時(shí)，由于機(jī)械式體重表本身精度就不高，測(cè)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