全自動(dòng)人體健康秤設(shè)計(jì)

牛子健，李龍彬，唐 川，陳初陽，盧文濤，馬華紅

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

全自動(dòng)人體健康秤是電子秤的一種，而電子秤種類很多，主要可分為兩種形式，一種是以儀表盤為顯示方式的電子秤[1]，在市面上較為常見，其測量范圍比較廣但精度不高，在測量時(shí)，肉眼讀數(shù)也容易產(chǎn)生較大誤差；另外一種是以數(shù)字形式顯示的電子秤，該類型采用數(shù)字技術(shù)，方便人們進(jìn)行讀數(shù)，減少了很多不必要的誤差。但是一般來說，其測量范圍沒有指針式范圍廣，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。本次課題采用的就是數(shù)字形式顯示屏的電子秤[2]，它主要實(shí)現(xiàn)身高、體重的自動(dòng)測量、身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)計(jì)算以及存儲(chǔ)等功能。同時(shí)，全自動(dòng)人體健康秤也具有普通電子秤缺乏的智能語音播報(bào)功能和健康提示功能。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 人體健康秤總系統(tǒng)框圖

全自動(dòng)人體健康秤設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要可分為八個(gè)模塊：系統(tǒng)控制模塊、采樣模塊、語音播報(bào)模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊、無線通訊模塊。

1.1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)讀取采樣模塊中各個(gè)芯片的數(shù)據(jù)，并根據(jù)算法生成相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)的樣值轉(zhuǎn)送至存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)控制模塊分為主控制器和副控制器兩部分，通過無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)主副兩塊微處理器的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，主控制器將綜合處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊和語音模塊進(jìn)行定時(shí)刷新顯示與播報(bào)。

1.2 顯示模塊

顯示模塊作為人機(jī)交互界面的主要部分，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)控制模塊中存儲(chǔ)的各項(xiàng)身體數(shù)據(jù)顯示出來。本設(shè)計(jì)顯示模塊采用的是TFTLCD顯示芯片，通過電壓控制顯示器顯示各種灰階，用晶體管表面薄膜產(chǎn)生電壓，然后再利用其控制液晶投向顯示屏上，通過改變電阻值改變晶體管集電極電流大小，進(jìn)而控制顯示屏幕的亮度。

1.3 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)暫存每次采集數(shù)據(jù)的樣本的平均值，用戶通過多次測量可以生成歷史數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的是TF_CARD存儲(chǔ)芯片。

1.4 按鍵模塊

按鍵模塊作為人機(jī)交互界面的一部分，用戶可以通過按下不同按鍵設(shè)置不同測量模式和顯示界面，分別完成相應(yīng)操作。在本次設(shè)計(jì)中，當(dāng)按下home按鍵時(shí)，進(jìn)入主菜單欄，顯示系統(tǒng)的主要功能；按下前進(jìn)或后退按鍵，可選擇不同的工作模式；再按下確認(rèn)鍵即進(jìn)入該模式，執(zhí)行相應(yīng)的測量功能；按下開始/結(jié)束按鍵時(shí)，會(huì)進(jìn)入/脫離休眠模式，在休眠模式中設(shè)備將會(huì)以一個(gè)極低功耗運(yùn)行。

1.5 無線通訊模塊

無線通訊模塊負(fù)責(zé)完成主副控制器的數(shù)據(jù)接收發(fā)送，副控制器將采集到的身高相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制器中。NRF2401是一單芯片型廣播式無線射頻收發(fā)機(jī)，它采用全球普遍使用的2.4～2.5GHz傳輸通信頻率。通過對(duì)3線串行接口的使用，可以很簡單地對(duì)功率輸出與通道頻率進(jìn)行編程處理。內(nèi)置掉電模式可以更好地實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約。

1.6 語音/報(bào)警模塊

本系統(tǒng)語音播報(bào)模塊將單次測量顯示的信息生成文本并播報(bào)，滿足用戶對(duì)設(shè)備智能化的要求。SYN6288提供一組全雙工的異步串行通訊(UART)接口，實(shí)現(xiàn)與微處理器的數(shù)據(jù)傳輸。SYN6288內(nèi)置了推挽式的DAC，可直接驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行語音播報(bào)。

1.7 采樣模塊

采樣模塊包括體重、身高以及心率血氧三部分的采樣。

體重：由電阻應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)50kg量程的半橋式壓力傳感器并聯(lián)構(gòu)成全橋使得量程擴(kuò)大為100kg，壓力使得傳感器應(yīng)變片的形變產(chǎn)生微弱的模擬電信號(hào)，由HX7111芯片采集電信號(hào)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。芯片通過串口通信與主控制器進(jìn)行通訊，主控制器根據(jù)相應(yīng)的算法將芯片輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為體重值。

身高：利用HC-SR04超聲波測距模塊，根據(jù)超聲波發(fā)送和接收之間的間隔時(shí)間可以推算出障礙物與傳感器的距離,通過公式計(jì)算測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。

副控制器再根據(jù)其接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成身高數(shù)值。

心率血氧測量：心率血氧的采集由MAX30102模塊完成，送往主控制模塊處理，生成心率血氧數(shù)據(jù)。

當(dāng)光束透過人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這光束的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。只需要將手指頭緊貼在傳感器上，就能估計(jì)脈搏血氧飽和度(SpO2)及脈搏(相當(dāng)于心跳)。攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光(850-1000nm)，未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅光(600-750nm)，因此pulse oximeter就是一個(gè)迷你的分光計(jì)，利用不同紅血球之吸收光譜的原理，來分析血氧飽和度。這種實(shí)時(shí)而快速的測量方式，也廣泛被運(yùn)用在許多臨床的參考。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器選型

本產(chǎn)品處理器選擇的型號(hào)為意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6。處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72MHz。同時(shí)還具有高達(dá)64kB的Flash。芯片還具有豐富的通用I/O端口，外設(shè)資源豐富，能完全滿足產(chǎn)品的功能需要。

2.2 壓力檢測電路

具有壓阻效應(yīng)的材料有很多種，絕大多數(shù)的金屬材料以及半導(dǎo)體材料都具有壓阻效應(yīng)，通過檢測發(fā)現(xiàn)，金屬材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料，相比電容式和壓電式,電阻應(yīng)變式數(shù)據(jù)浮動(dòng)較小,使用時(shí)間相對(duì)較長，反應(yīng)快，不受制于使用環(huán)境和溫度。因此，應(yīng)變式傳感器的使用頻率和生產(chǎn)量都比較多，它主要是通過改變電橋進(jìn)行測量。

2.3 超聲波模塊

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚?/p>

1) 采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10μs的高電平信號(hào);

2) 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；

3) 有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2.

2.4 心率血氧檢測芯片(MAX30102)

MAX30102使用1.8V和5V作為常規(guī)供電。

芯片外圍電路十分簡單，僅需要一個(gè)供電電路以及幾個(gè)上拉電阻即可，對(duì)外通信采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC接口，此外，該傳感器在功耗方面也具有極大的優(yōu)勢，其待機(jī)功率幾乎可以忽略，因此目前一些手機(jī)及可穿戴智能硬件產(chǎn)品大量采用該芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)并初始化后，由處理器內(nèi)部定時(shí)器中斷檢測按鍵是否按下，當(dāng)相應(yīng)的標(biāo)志位分別置位后，進(jìn)入各個(gè)功能的測量程序，最后將測得的數(shù)值進(jìn)行定時(shí)刷新顯示，以及相應(yīng)的語音播報(bào)。

3.2 體重測量軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)出測量指令后，處理器讀取HX711芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)并根據(jù)公式計(jì)算出質(zhì)量，以確定體重?cái)?shù)值。

圖2 體重測量流程圖

3.3 身高測量軟件設(shè)計(jì)

利用超聲波反射原理，當(dāng)發(fā)出測量指令后，處理器計(jì)算發(fā)射信號(hào)與返回信號(hào)的時(shí)間差，據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的距離，以確定人體身高。

3.4 心率血氧測量軟件設(shè)計(jì)

心率血氧測量是利用光電容積法的基本原理，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測量。通過讀取MAX30102本身的FIFO得到轉(zhuǎn)換后的光強(qiáng)度數(shù)值，進(jìn)而編寫算法得到心率值和血氧飽和度。

圖3 身高測量流程圖

圖4 心率血氧采集過程流程圖

3.5 結(jié)果測試

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試過程描述，結(jié)果顯示。

圖5 健康秤身高測試結(jié)果

圖6 健康秤體重與心率血氧測試結(jié)果

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是基于STM32完成的全自動(dòng)人體健康秤。系統(tǒng)能夠完成人體身高、體重和心率血氧方面測量以及BMI等數(shù)值的計(jì)算；本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于測量功能的多樣化，集多項(xiàng)人體健康指標(biāo)測量于一身，滿足用戶的多樣化需求?？呻S時(shí)掌握身體數(shù)據(jù)變化趨勢，智能化生成科學(xué)飲食與運(yùn)動(dòng)建議。數(shù)字形式的電子秤替代以模擬電路形式電子秤，基于集成化的微處理器為主控設(shè)計(jì)方案也大大提高了數(shù)據(jù)的可靠性與精度。