2021年03月08日 | MSP430的低功耗人体生理参数综合测量仪

2021-03-08 来源：eefocus

引言

当今社会人们越来越关注医疗卫生和保健，敬老院、学校、部队等集体单位体检时，身高、体重、心率、肺活量等基本生理参数的测量大多是分开进行或部分合在一起测量，并且这些测量仪器体积较大、操作繁琐且精度不够，在很大程度上浪费了人力、物力、财力和体检时间。因此，有必要利用现在成熟的电子技术，运用微控制器强大的运算、处理和控制能力，设计一款低功耗综合性的测量仪。

设计方案

1 系统总体硬件设计

作为仪表类设计，系统的测量精度和功耗是主要考虑的因素，因此选用了MSP430F5529单片机和相应高精度低功耗器件。

1.1 主控制器

MSP430F5529是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)，简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;具有高效的查表处理指令，这些特点保证了

单片机可编制出高效率的源程序。其能在25 MHz晶振的驱动下，实现40 ns的指令周期。16位的数据宽度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)，内部具有12位的A/D转换器，速度快、精度高。它在降低芯片的电源电压和灵活可控的运行时钟方面设计出色，具有超低功耗。

1.2 身高检测模块

身高检测模块采用WF20D电阻式位移传感器，独立线性公差为精密级±0.1%，拉线长度为1000 mm，外形小巧、坚固耐用、安装方便，通过该传感器可以将身高物理量转换成电阻值。电路原理如图2所示，利用稳压管TL431产生2.5 V基准电压给拉线电位器供电，同时接入单片机A/D转换器通道1，拉线电位器输出端接一跟随器之后，再经过RC低通滤波电路接入单片机A/D转换器通道2，这样设计有助于消除A/D转换器的转换误差并可有效抑制温漂，在接下来的软件设计中会有身高测量值的具体计算方法。

1.3 体重检测模块

体重检测模块的传感器为HX—Z系列双孔悬梁形式压力传感器，其量程为200 kg，精度为0.01 kg，误差±0.05kg。该传感器精度高、结构简单紧凑、抗偏载能力强。

为了提高测量精度，使用外置24位A/D转换电路HX711，HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片，集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等外围电路以及低噪声可编程放大器，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，降低了测量仪的整机成本，

提高了整机的性能和可靠性。设计中通过编程设置放大倍数为64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±40 mV。芯片内提供的稳压电源可以直接为外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件，上电自动复位功能简化了开机的初始化过程，芯片与MCU通过I2C总线串行通信，接口简单方便。体重检测模块电路图如图3所示。

1.4 肺活量检测模块

肺活量检测模块采用高精度MPX系列硅压力传感器MPX5010，MPX系列是电压输出型压力变送器模块，采用压力传感器作为敏感元件并集成了数字调理芯片，对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿。其内部集成了信号放大电路，传感器测压范围为0～10 kPa，满量程电压为5 V，具有集成度高、体积小、精度高、抗干扰能力强、功耗低、温度范围宽等卓越特性。采用MSP430内部12位A/D转换器进行采样，对气体流动压力进行软件积分即可测量出人体呼气的流量，经过标定从而计算出人体肺活量。

1.5 心率检测模块

心率检测采用HKG—07系列传感器，该传感器利用红外线检测，由于心脏跳动而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号(如图4所示)，经过单片机简单计算即可得到心率数值。该产品采用高度集成化工艺，将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内主要用于临床上心率的计数、监测等。

图 4 心率传感器输出信号波形

1.6 实时日历时间模块

采用美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DS1302。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768 kHz晶振，工作电压为2.5～5.5 V，采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。日历时间模块电路图如图5所示。

图 5 日历时间模块电路图

1.7 打印机接口和RS232通信接口

设计中选择具有串口通信功能的MP-320T热敏微型80 mm小票据打印机，按下打印按键时，MSP430将日期时间和各项测量的参数通过串口发送给打印机进行打印。

MSP430 低功耗人体生理参数综合测量仪

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