徐龍

【摘要】 以飛思卡爾公司的MC9S12XS128為主控芯片來設(shè)計(jì)綜合體質(zhì)測量儀，文中主要從硬件方案論證與比較、硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件三個(gè)方面來進(jìn)行論述。硬件方案論證與比較通過對比各個(gè)模塊的器件選型，進(jìn)而給出合適的硬件電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)給出整個(gè)系統(tǒng)的程序流程框圖。

【關(guān)鍵字】 體質(zhì)測量 單片機(jī) 無線通信

一、對硬件方案進(jìn)行論證與比較

本系統(tǒng)采用MC9S12XS128作為主控芯片，采用高精度的電阻式拉線位移傳感器進(jìn)行身高信號采集，在獲取人體體重信號時(shí)可以采用稱重傳感器，另一方面肺活量信號的獲取則可以借助差壓帶補(bǔ)償壓力傳感器，本系統(tǒng)還帶有藍(lán)牙，GSM，RFID可刷卡顯示等功能。本系統(tǒng)在經(jīng)過不斷實(shí)踐及調(diào)整后，基本體質(zhì)參數(shù)的測量要求都達(dá)到了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的無線數(shù)據(jù)傳輸部分也完整實(shí)現(xiàn)。結(jié)果顯示，本系統(tǒng)具有科學(xué)的設(shè)計(jì)方法、較強(qiáng)的穩(wěn)定性及抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 讀卡模塊設(shè)計(jì)方案

方案一：采用接觸式的IC卡，該卡的外部接口電路以及集成電路和其外部金屬電極觸點(diǎn)直接相連 ，外部接口電路為卡內(nèi)集成電路提供工作電源，該卡和讀卡器之間數(shù)據(jù)的傳送需要卡芯片上的6到8個(gè)觸點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)。但是接觸式的IC卡也有不足，比如：數(shù)據(jù)傳輸過程必須使用有線方式，并且不具有耐磨性等。

方案二：采用非接觸式的IC卡，該卡在集成電路上不向外引出觸點(diǎn)，其數(shù)據(jù)交流和電源的供給由無線收發(fā)及相應(yīng)電路完成的，該電路是對應(yīng)在卡片中的，此外，能量與數(shù)據(jù)的交換進(jìn)行需要借助無線電波或者電磁場感應(yīng)的方式。盡管IC卡也需要與主機(jī)接觸，但是它在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可以借由無線方式。與方案一對比得：該種IC卡為整體封裝，具有不怕油污、抗磨損和使用壽命長的優(yōu)勢。

對于上述的兩個(gè)方案，分析比較之后，我們認(rèn)為方案二要好于方案一。

1.2 身高測量模塊設(shè)計(jì)方案

方案一：選取超聲波傳感器測距。外部信號處理簡單便捷、速度快是超聲波測距的優(yōu)勢之一，此外超聲波測距還便于控制并且價(jià)優(yōu)。因此常用在要求測量精度不高但速度要求較快的距離測試設(shè)備中。但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，超聲波傳感器自身也存在一些不足，其中比較明顯的缺點(diǎn)是探測波的束角偏大，造成信號不易采集、方向性較差，不易控制、使用前需要人為標(biāo)定等缺點(diǎn)。

方案二：選取拉線式位移傳感器測距。這種傳感器的線性特性非常好，它的輸出電壓要求在0v到10v之間且與被測量成線性關(guān)系。具有測量精度可達(dá)千分之一、使用方便，溫度誤差小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)要求。

對于上述的二個(gè)方案，綜合考慮之后，方案二是不錯(cuò)的選擇。

1.3肺活量信號采集模塊設(shè)計(jì)方案

方案一：差分壓力傳感器，測量精度高，受環(huán)境影響因素較小

方案二：空氣流量傳感器，在使用過程中發(fā)現(xiàn)其測量數(shù)據(jù)偏差較大，數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定

對于上述兩種方案，綜合考慮選擇方案二。

1.4微控制器選擇方案

方案一：選擇TI公司的M430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器，M430G2553是超低功耗混合信號微控制器，其內(nèi)設(shè)有的定時(shí)器有16位，I/O 引腳可以支持觸摸感測且有24之多，它所具有的一個(gè)模擬比較器是通用型的，此外，其內(nèi)置通信能力高，因?yàn)樗昧送ㄓ么型ㄐ?，不能忽視的是它尤為顯著的一個(gè)特點(diǎn)那就是功率損耗小。而且其自帶一個(gè)十位的A/D轉(zhuǎn)換器，使模數(shù)轉(zhuǎn)換更便捷。

方案二：選擇飛思卡爾半導(dǎo)體公司的16位MC9S12XS128單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器，MC9S12XS128由16位中央處理單元、128KB程序Flash、8KBRAM、8KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲器，指令系統(tǒng)與S12兼容CPU工作頻率最高可達(dá)80MHz，16通道高達(dá)12位精度A/D采集模塊，7級中斷嵌套和7個(gè)中斷優(yōu)先級，CRG模塊，COP看門狗，實(shí)時(shí)中斷及時(shí)鐘監(jiān)視器。這樣一來，無論是掃描還是處理數(shù)據(jù)的速度都有了特別大的突破。

對比方案上述兩種方案，綜合考慮選用方案二。

1.5系統(tǒng)總體方案

上面一系列的解析和驗(yàn)證，最終確定了下述系統(tǒng)各模塊采用的方案：

（1）主控控制器：MC9S12XS128；（2） IC卡讀卡模塊 ：RC522串口讀寫器；（3）身高測量：電阻式拉線位移傳感器；（4）體重測量：YZC-664稱重傳感器；（5）肺活量測量：肺活量傳感器MPX2010DP；（6） 無線傳送方面：藍(lán)牙模塊；（7）短信發(fā)送功能：TC35i型GSM開發(fā)板；（8）AD模塊： 24位AD轉(zhuǎn)換器ADS1256（肺活量傳感器信號處理）；24位AD轉(zhuǎn)換器HX711（體重傳感器信號處理）

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1肺活量測量電路設(shè)計(jì)

采用壓力傳感器MPX2010DP作為主要測量元件，而該傳感器得到的為一差分模擬信號，并且題目要求肺活量的測量精度達(dá)到1ml，測量范圍為8000ml，需采用24位的AD方能達(dá)到題目要求，此系統(tǒng)選用AD精度最高可達(dá)12位的單片機(jī)，顯然與題目要求不符。因此通過將MPX2010DP輸出的信號接入常見的如AD620儀表放大器中得到單路輸出模擬信號，再將該單路模擬信號送至24位的ADS1256模塊中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，直接將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量送入單片機(jī)處理，即可滿足題目要求。

2.2體重測量電路設(shè)計(jì)

體重測量電路采用應(yīng)變式的壓力傳感器YZC-664稱重傳感器，該傳感器測量得到的模擬信號是一個(gè)差值大于0mv小于20mv的差分信號，分析論證方案之后得出，這個(gè)信號可利用專業(yè)差分信號處理模塊HX711處理，最終信號較穩(wěn)定，且能滿足題目要求，因此將P1端子代表的差分信號直接接至HX711的差分輸入端即可，電路設(shè)計(jì)相對簡單，并且性能穩(wěn)定，測量結(jié)果滿足題目要求。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的相關(guān)要求，依次通過外部按鍵設(shè)置進(jìn)入校園卡錄入信息、身高、體重、肺活量參數(shù)測量操作，待所有上述操作完成后，可選擇通過GSM短信發(fā)送模塊和無線傳輸方式將測試者測試信息傳送到指定的手機(jī)客戶端和安卓平板電腦的客戶端上。經(jīng)過上述系列分析論證可知，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程應(yīng)為：先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化；液晶主菜單刷新顯示；獲取被測試者信息可以借助刷校園卡的方式，像學(xué)號、姓名等這樣的個(gè)人信息都可以得到；然后在測量相應(yīng)的參數(shù)時(shí)，我們需要利用按鍵處理程序來進(jìn)行選擇。所有參數(shù)測量結(jié)束后，再選擇相應(yīng)的按鍵執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳送任務(wù)。

四、測試結(jié)果與結(jié)論

4.1測試結(jié)果

對電阻式拉線位移傳感器和稱重傳感器輸出信號的測試結(jié)果分別如表1和表2所示。電阻式拉線位移傳感器的輸出電壓值精確度可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后兩位，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后其精度能滿足精確到1mm的要求，稱重傳感器測量輸出信號的差分值達(dá)到了小數(shù)點(diǎn)后三位，經(jīng)過24位AD HX711的轉(zhuǎn)換后，同樣能滿足精確到0.1kg的要求。

4.2結(jié)論

根據(jù)題目要求，該設(shè)計(jì)完成了所要求的基本功能，可實(shí)現(xiàn)被測試者校園卡信息的刷新顯示、身高、體重、肺活量等參數(shù)的測量。并且可將測試結(jié)果傳輸 到手機(jī)或安卓平板電腦端予以顯示，較方便測試者了解自己的信息，且數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，具有參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京.高等教育出版社，2006

[2]周航慈，朱兆優(yōu)，等，智能儀器原理與設(shè)計(jì)[M].北京.北京航空航天大學(xué)出版社，2005

[3]譚浩強(qiáng).C語言設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社，2005