一種基于SPCE061A的身體狀態(tài)測量裝置設計

畢濤 劉迪 楊莉莉 楊帆

摘 要 本作品以凌陽16位單片機SPCE061A為核心，使用YZC-516C，E6B2-CWZ5G和MPS1100這三類高精度傳感器模塊，從而實現(xiàn)對用戶體重、身高、肺活量的數(shù)據(jù)采集，由單片機綜合分析評定，得到用戶的體質(zhì)狀況信息，再通過外設的無線藍牙及短信發(fā)送模塊SIM900A，可向安卓用戶發(fā)送實時數(shù)據(jù)。基于需要多個UART口通訊的需求，采取了模擬UART口，解決了多個模塊均需占用UART口通訊的問題，實現(xiàn)了多模塊同時工作。相對傳統(tǒng)測量儀，此測量儀操作更加簡單，不僅能通過RMD6300ID讀取校園卡顯示用戶信息，而且能向基于安卓系統(tǒng)的產(chǎn)品發(fā)送實時信息，使用戶快速了解當前體質(zhì)情況。經(jīng)檢驗，整機設計可靠性高，信息采集準確，低功耗且實用性較強。

關鍵詞 SPCE061A;高精度;UART;低功耗

1總體方案設計

以凌陽SPCE061A單片機為核心，通過傳感器采集的信號傳遞給單片機進行分析處理，最后在終端顯示。此儀器的供電系統(tǒng)是由220V/5V降壓變壓器提供，輸入的電壓信號經(jīng)過各傳感器轉(zhuǎn)換模塊，可變成可供AD模擬輸入端能正常進行采樣的電壓。體重測量采用YZC-516C傳感器采集數(shù)據(jù)，身高測量利用歐姆龍E6B2-CWZ5G采集數(shù)據(jù)，肺活量測量利用 MPS1100傳感器采集數(shù)據(jù)，藍牙通訊模塊的功能是將單片機處理后的結(jié)果傳輸給基于安卓系統(tǒng)的平板電腦。采用RDM6300芯片進行校園卡信息讀取，上述數(shù)據(jù)經(jīng)過SPCE061A匯總處理后，使用GSM（全球通）模塊（SIM900A）向用戶發(fā)送短信消息，同時可以在OCMJ5*10B液晶顯示器上顯示[1]。

2關鍵模塊設計

2.1 主控模塊

SPCE061A是16位單片機，具有2KB FLASH（閃存）存儲空間，支持程序多次擦寫。同時其最大工作頻率可達到49M Hz，滿足我們對壓力傳感器數(shù)據(jù)的實時采集，同時具有32位I/O口，能進行高精度數(shù)據(jù)輸出。其待機狀態(tài)的電流僅幾微安，功耗低。同時具有較強保密性，程序不易被修改。

2.2 測量身高模塊方案

采用旋轉(zhuǎn)編碼器測量。雖然它不能直接使用，需要根據(jù)編碼器實際參數(shù)（每轉(zhuǎn)一周輸出脈沖數(shù)）以及實際使用同步轉(zhuǎn)動輪周長間接換算，硬件與軟件處理相比有些復雜，但其精度高，可靠性強，適用于各種環(huán)境。

2.3 顯示方案

采用12684液晶顯示?？梢孕纬?4行，1616點陣漢字，分辨率為12864，具有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶，可顯示信息量大，可形成全中文人機交互圖形界面，而且相比于其他點陣圖形液晶模塊價格更加低廉。

2.4 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊方案

采用藍牙傳輸。低速度短距離傳輸，帶寬1Mbps，有效距離10米，主要用于不同電子設備的通訊，是最簡單，最便攜的無線通信方式。另外，它屬直接通訊，采用跳頻和短包技術以及向前糾錯補碼技術，抗干擾性強，不宜竊聽，有力保護用戶的個人信息[2]。

3理論分析與計算

3.1 人體身高測量原理分析

旋轉(zhuǎn)編碼器可以利用脈沖計數(shù)來實現(xiàn)定位和測距，每旋轉(zhuǎn)一周，就會輸出特定數(shù)目的脈沖。在一定時間內(nèi)記錄讀取到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖數(shù)，即可知道旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，而同軸轉(zhuǎn)動輪的周長一定，所以可以求得距離即人體身高。

3.2 體肺活量測量原理分析

大氣壓作用于覆蓋有抽空的小盒的敏感元件上，通過它電阻受到壓縮或拉伸應力的作用，由于壓電效應，電阻值的變化與氣壓成正比。將氣壓傳感器置于已知截面積的細管中，在被測量者向管中吹氣時，便可通過各時刻的氣壓與流速的關系得出相應的氣流速，再結(jié)合測量時間計算得出氣體總流量。

3.3 體重測量模塊

體重測量，我們采用具有雙梁式結(jié)構(gòu)的YZC-516C傳感器。該傳感器可同時作拉、壓力使用，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，測量精度高，可靠性好。測量原理如下：將應變片粘貼到受力的力敏型彈性元件上，當彈性元件受力產(chǎn)生形變時，應變片產(chǎn)生相應的應變，轉(zhuǎn)化成電阻的變化。

壓力引起的電阻的變化轉(zhuǎn)化成電路引起的電壓的變化，通過測量輸出電壓的值，再通過換算即可得到所測量物體的重量。

3.4 人體指標的相關計算

人體指標=肺活量/體重求出個人的肺活量/體重指數(shù)。

3.5 藍牙無線通信的實現(xiàn)

本設計采用藍牙模塊HC-06，設計了基于藍牙無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個裝置由前端數(shù)據(jù)采集、傳送部分以及末端的數(shù)據(jù)接受部分即基于安卓的平板電腦組成。AT89C51單片機作為下位機主機，這樣下位機可以主動地或者在接收上位機通過藍牙模塊發(fā)送的傳送數(shù)據(jù)指令后，將存儲的信息按照標準HCI-RS232傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)定義，通過MAX3232進行電平轉(zhuǎn)換后送至藍牙模塊，由藍牙模塊將數(shù)據(jù)傳送到空間，同時上位機的藍牙模塊對此數(shù)據(jù)進行接收，傳送至基于安卓的平板電腦，從而完成藍牙無線數(shù)據(jù)的交換。

3.6 平板電腦上位機軟件設計

平板電腦上位機軟件采用ADT Bundle Android開發(fā)平臺+ mysql實現(xiàn)。單片機將大學生刷卡學號和測量結(jié)果，通過藍牙技術發(fā)送到上位機。上位機通過傳輸?shù)膶W號從數(shù)據(jù)庫中查詢該大學生信息，并將測量結(jié)果保存到該大學生的測量信息表。所有測量數(shù)據(jù)和被測量人的信息（姓名、學號、年級專業(yè)等）都能在安卓平板上位機顯示出來。通過標準測量標準算法，評估出被測量人的體重指數(shù)是否合格。系統(tǒng)以CSV格式導出所有測量數(shù)據(jù)和被測人信息。

3.7 GSM模塊的無線通信

GSM屬第二代（2G）蜂窩移動通信技術，采用數(shù)字式信息和語言通道，使用時必須連接到最近的蜂窩單元，可運行在多個無線電頻率上。它是由基本子系統(tǒng)（BSS）、移動網(wǎng)子系統(tǒng)（NSS）、操作支持子系統(tǒng)（OSS）、和移動臺（MS）四個部分組成。

參考文獻

[1] 李全利.單片機原理及應用技術[M].北京：高等教育出版社，2004：67.

[2] 金發(fā)慶.傳感器技術與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：55.