简易综合体质测量仪

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简易综合体质测量仪

(B题)

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简易综合体质测量仪（B题）

摘要

本系统采用TI公司的MSP430F149单片机作主控制器，由射频卡、身高测量模块、体重测量模块、肺活量测量模块、上位机、无线传输模块(蓝牙)和全球移动通信系统（GSM）等模块组成，实现射频卡刷卡后，液晶显示卡号，被测人进行身高测量，体重测量，肺活量测量，相关数据经过系统处理且系统计算健康指标，利用上位机功能，通过无线传输把所有测量数据和被测人相关信息显示在安卓平板电脑上，而且可保存成文件便于数据导出，最后发送短信到被测人员指定手机上。此简易综合体质测量仪不但实现刷卡识别，体质指标检测，而且能够智能显示评价级别，可以方便被测人详细了解自身身体状况，适度增强体质。关键词：MSP430单片机；射频卡；体质测量；上位机；无线传输

1系统设计与方案论证

系统设计

经过仔细研究分析，我们设计系统的结构框如图1所示

图1系统结构图

根据题目要求，我们从以下四部分进行方案论证与选择

1.1主控芯片

方案一：采用AT89S52单片机进行控制，优点是结构简单，操作方便，成本低廉，但是处理速度慢，内置模块少，I/O口少串口少，硬件误差过大，难于满足指标要求。

方案二：采用FPGA做主控芯片进行控制，优点是FPGA运行速度快，管脚多，容易实现大规模系统，内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力，但是操作复杂，要求具备较高的能力，且制作简易体质测量仪，成本高，会资源浪费。

方案三：采用TI公司的MSP430F149单片机（引脚图见附录图1）进行控制，优点是430系列单片机电压低，功耗低,3.3V供电，16位，运行速度快，内置硬件乘法器，乘除法运算都为单周期指令，片内集成资源丰富，有两组普通I\O

口具有中断功能，两个串口可以较好地满足题目要求。

综上选择方案三。

1.2身高测量模块

方案一：使用超声波测距。将超声波发射模块固定在垂直高度2米处，向下垂直发射超声波，计算高度。

方案二：使用红外对管测距。在身高测量仪左右两侧放置两个用步进电机同步驱动的滑轮传送系统，红外对管分别固定在两侧的传送带上，对管随传送带自下而上移动，检测是否有障碍物，直至无障碍物时根据滑轮转速得到传送距离进而得出身高。相对丝杠优点成本低，缺点转速准确度低，可重复性差，误差包括头发长度。

方案三：使用步进电机带动丝杠上下移动测距。将步进电机固定在两米高处，步进电机转动带动丝杠上下移动，挡板下移至头顶后，得到移动距离，得到身高。

综合三种方案，方案三可以排除头发长度的误差，测量结果较准确，采用方案三。

1.3肺活量测试模块

方案一：排水法测肺活量。通过霍尔元件来检测肺活量数值。优点是制作简单，成本低，缺点是精度较低。

方案二：流量传感器测肺活量。流量传感器检测被测人吹出的气体流量，得到肺活量值。优点是精度高，操作方便，缺点是成本高。

方案三：压力传感器测肺活量。检测吹气时压力值，根据气体压力与流速的关系，进而计算出气体流量。优点是精度较高，成本较低，缺点是操作复杂。

综合成本和精确度各方面，选择方案三。

1.4无线传输模块

方案一:红外线数据传输(IrDA)。IrDA 无需申请频率的使用权，成本低廉，功耗低、连接方便、简单易用,而且红外线发射角度较小，传输上安全性高。但是它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接。

方案二：无线局域网802.11(Wi-Fi)。Wi-Fi 属于短距离无线通信技术,速率最高可达11Mb/s 。电波的覆盖范围可达100 m 左右,但在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，且需要网络覆盖，局限性较大。

方案三：蓝牙(Bluetooth)。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM 频段，提供1Mbps 的传输速率和10m 的传输距离。

综合考虑安全性和可移动性，便捷性选择方案三。

2理论分析与计算

2.1身高测量

使用CWD556驱动器驱动步进电机，驱动器细分数选择800，驱动器驱动一

次电机转动rad 400

80012ππ=⨯

，所以电机转动一周需要送给驱动器800个脉冲，步进电机转动一周，丝杠上挡板下降4mm,所以电机步进一步，挡板下降

mm 3-105⨯，所以身高测量误差可以保证题目要求的误差。

2.2体重测量

经过筛选，使用200kg 平衡梁式传感器，灵敏度V mV /15.00.2±,使用12V 供电，满量程输出电压mV 8.124±，经过128倍放大，0V-3.072V 输入24位高精

度A/D 中，A/D 基准电压为3.3V ，得到一个A/D 数字理想线性代表

()

V m 0128.023.3128024.020024=⨯÷⨯÷,为减少测量误差，实验程序中A/D 采样要使用数学分析，4次采样取平均值，作为A/D 采样结果，这样可以保证题目要求误差。

2.3肺活量测量

实验使用MPX10DP 压力传感器，根据流体力学公式，流量dt S Q t t ⎰=2

1ν，（S

是测试管的截面积，ν是气体流速），而ν正比于m -p (p 为压力，m 为初始压力)，因而⎰

=2

1

m -p k t t dt Q ，积分经过多次累加和实现，常数k 在程序中经过气

体流量计校准。压力传感器的自校拟合曲线如图2（大图见附录图2），实际校准通过程序和流量计完成。

图2压力传感器拟合曲线

3电路与程序设计

3.1射频刷卡系统电路设计

使用射频模块实现刷卡检测，12864液晶显示卡号

3.2身高测量电路设计

步进电机带动丝杠转动，挡板起始位于丝杠上2m 高处，丝杠上装有微动开关，启动电机，挡板向下移动，同时计数电机步进次数，一旦挡板触到头部，挡板处的微动开关触发电平变化，电机反转，同时程序计算身高。

3.3体重测量电路设计

称重传感器输出的信号经过放大电路和24位高精度A/D 转换电路输入到单片机中，如图3（大图见附录图3）