基于MSP430單片機的人體體質測量儀

王軍峰，姚福安，馬源哲

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

隨著我國經濟的發展以及人民生活水平的提高，越來越多的人開始進行有計劃的體育鍛煉，追求一種更加健康的生活方式。人們關注自身的健康狀況，需要科學準確、簡單易用的測量儀器來檢測鍛煉效果。在此，結合人體的結構特點，設計出能夠準確測量人體身高、體重、肺活量等關鍵指標數據，并將所測數據發送到測量者手機上的人體體質測量儀。該測量儀不僅可以使測量者實時了解自己的身體參數，還可以語音播報健康狀況，具有良好的實用價值。

1 系統整體方案設計

人體體質測量儀的系統硬件連接結構如圖1所示。測量系統以TI公司MSP430F5529低功耗16位單片機作為控制核心[1]，采用模塊化設計思想，主要由以下功能子模塊組成：電源穩壓模塊、液晶顯示模塊、超聲波模塊、橋式稱重傳感器、肺活量傳感器、藍牙模塊、GSM模塊、步進電機及驅動模塊、語音模塊等。

圖1 系統硬件連接結構Fig.1 System hardware connection structure

由于系統的組成模塊以及執行的任務數量較多，在軟件設計上需要具有任務切換功能。該系統采用前后臺程序設計方式，在功能選擇按鍵的中斷服務程序中對功能選擇變量賦值，退出中斷后進入主函數的循環體并執行相應的功能子函數，由此實現系統功能任務的選擇與切換。

2 系統硬件電路設計

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變變量轉換成電阻變化量的檢測元件[2]。系統采用4個橋式稱重傳感器采集重量信號并轉換為電壓信號，通過INA333儀表放大器對信號進行放大，將放大后的信號通過ADS1115進行轉換。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設為300。輸出電壓與體重的關系如圖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觸發測距，施加至少10 μs的高電平信號，模塊自動發送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，高電平持續的時間就是超聲從發射到返回的時間[3]。利用MSP430F5529單片機的捕獲單元可以精準獲得該高電平的持續時間。

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組成的減法器進行處理，再經過INA 333儀表放大器進行放大，信號調理電路如圖5所示。

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

2.4 HC-05藍牙模塊

HC-05藍牙模塊遵循藍牙V2.0+EDR藍牙規范，最高傳輸速率可達2.1 MB，最大穩定傳輸距離為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據無線傳輸到安卓手機。該模塊電路如圖6所示。

3 系統軟件程序設計

3.1 系統軟件程序結構

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

圖6 藍牙模塊電路Fig.6 Bluetooth module circuit

圖7 系統軟件流程Fig.7 System software flow chart

系統上電后，單片機首先執行時鐘初始化子程序，配置系統時鐘。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。在所有初始化任務執行完畢后，程序進入主循環，執行測量者選擇的功能。

3.2 任務選擇與切換程序設計

MSP430F5529單片機I/O口具有中斷功能，可利用該功能實現功能選擇按鍵的設計。在所有函數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程序中隨著按鍵次數逐步自增1，同時在液晶屏上顯示目前所選擇的功能。當功能選擇變量值≥6時，在中斷服務程序中重新置零。

退出中斷后，程序回到主循環。循環體包含一個switch-case結構，參照變量即為功能選擇變量。程序根據測量者選擇的功能，進入相應的子函數分支。在執行完相應的子函數后將功能選擇變量重新置零。

4 結語

人體體質測量儀實現了對人體身高、體重、肺活量的準確測量，并能夠將測量數據發送到用戶手機上。其測量系統運行自動化程度高，使用簡單可靠，能夠作為人們體育鍛煉效果檢測的科學工具。

參考文獻：

[1]任保宏，徐科軍.MSP430單片機原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2014.

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

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

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