基于MSP430單片機(jī)身體體征參數(shù)測(cè)定

1、 電子設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)報(bào)告 題目身體體征信號(hào)監(jiān)測(cè)儀（C題） 【本科組】組員： 指導(dǎo)老師：摘 要 本身體體征信號(hào)監(jiān)測(cè)儀是以MSP430單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)人體參數(shù)的多功能控制。主要功能包括在自己設(shè)定的參數(shù)范圍下，利用傳感器采集人體物理參數(shù)實(shí)現(xiàn)自主測(cè)量、利用無線傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)身體體征參數(shù)超出正常范圍時(shí)能發(fā)出警示信號(hào)，并借助數(shù)據(jù)傳輸和通信平臺(tái)緊急通知值班醫(yī)生和親朋好友，采取救治措施。關(guān)鍵詞 MSP40單片機(jī)、傳感器、無線通信、報(bào)警 目 錄摘要1系統(tǒng)方案 1.1 單片機(jī)控制模塊選擇1.2 體溫監(jiān)測(cè)模塊選擇1.3 心率測(cè)量模塊 1.4 電源模塊1.5 報(bào)警模塊1.6 顯示部分 1.7 無線

2、傳輸部分2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 2.1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.2 理論計(jì)算 2.2.1 體溫計(jì)算 2.2.2 心率計(jì)算2.3 模塊框圖及電路原理 2.3.1 溫度模塊 2.3.2 心率模塊 2.4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 2.4.1 體溫測(cè)量方案 2.4.2 心率測(cè)量方案3 測(cè)試結(jié)果及分析 3.1 體溫測(cè)量結(jié)果 3.2 心率測(cè)量結(jié)果身體體征信號(hào)監(jiān)測(cè)儀（C題）【本科組】一 系統(tǒng)方案 本系統(tǒng)主要是由控制模塊、體溫監(jiān)測(cè)模塊、心率監(jiān)測(cè)模塊、呼吸頻率檢測(cè)模塊、電源模塊、報(bào)警模塊及顯示模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1 單片機(jī)控制模塊選擇方案一：使用51單片機(jī)作為控制器方案二：使用MSP430單片機(jī)作為控制

3、器對(duì)于方案一，眾所周知51單片機(jī)是一款入門級(jí)別單片機(jī)，因?yàn)樗馁Y料非常多，非常利于入門的學(xué)習(xí)，但是這款單片機(jī)功耗高，有許多協(xié)議不支持。所以是一塊比較適合入門的單片機(jī)。 51單片機(jī)實(shí)物圖所以，對(duì)于初學(xué)者和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)51單片機(jī)確實(shí)很理想的選擇，但51單片機(jī)有很多致命的缺陷，例如1. 運(yùn)行速度很慢，（因?yàn)槭荂ISC（集中指令）結(jié)構(gòu)，而且芯片為了抗干擾采用了12分頻的方法）2. 所有的I/0口都是準(zhǔn)雙向口，I/0口的驅(qū)動(dòng)能力弱。（但是AT89的灌電流比較大，大概有20mA左右）3. 芯片里面的P0口沒有上拉電阻（P1,P2,P3口有上拉電阻）如果要輸出高電平或者要定義成輸入口，一般要外接電阻上拉。4

4、. 芯片不能定義成內(nèi)部復(fù)位方式，只能用外部微分電路復(fù)位。5. 芯片內(nèi)部沒有RC振蕩，如要芯片正常工作，需要外加振蕩源（比如晶振，RC振蕩，PLL振蕩等）6. 功耗比較高，抗干擾能力也不是很強(qiáng)。 51單片機(jī)實(shí)物圖由于本課題設(shè)計(jì)到人體體征這一重要概念，這些基本參數(shù)直接影響人體健康。很明顯51單片機(jī)的一些缺點(diǎn)直接影響最后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與測(cè)量效率，所以這種方案不是理想的選擇。對(duì)于方案二，MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。 430單片機(jī)我們本次使用的430系列中

5、G2553，它具有以下優(yōu)勢(shì)：430G2553低電源電壓范圍：1.8v至3.6v。超低功耗 運(yùn)行模式： 230A （在1MHz 頻率和2.2V 電壓條件下）待機(jī)模式： 0.5A關(guān)閉模式（RAM 保持）： 0.1A5 種節(jié)能模式· 用于模擬信號(hào)比較功能或者斜率模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換的片載比較器· 可在不到1s 的時(shí)間里超快速地從待機(jī)模式喚醒· 16 位精簡(jiǎn)指令集(RISC) 架構(gòu)，62.5ns 指令周期時(shí)間· 帶內(nèi)部基準(zhǔn)、采樣與保持以及自動(dòng)掃描功能的10位200-ksps 模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換器· 基本時(shí)鐘模塊配置 具有四種校準(zhǔn)頻率并高達(dá)16MHz

6、的內(nèi)部頻率· 串行板上編程， 內(nèi)部超低功耗低頻(LF) 振蕩器無需外部編程電壓， 32kHz 晶振 外部數(shù)字時(shí)鐘源· 具有兩線制(Spy-Bi-Wire) 接口的片上仿真邏輯電路· 兩個(gè)16 位Timer_A，分別具有三個(gè)捕獲/比較寄存路器· 多達(dá)24 個(gè)支持觸摸感測(cè)的I/O 引腳鑒于本次課題測(cè)量參數(shù)與人體健康有關(guān)，使用430G2553具有很多優(yōu)勢(shì)，而且操作也很簡(jiǎn)單，所以綜上所述，我們選擇430G2553單片機(jī)作為控制器。2 體溫監(jiān)測(cè)模塊選擇本次選擇作為溫度傳感器是DS18B20：常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。DS

7、18B20 的測(cè)溫范圍-55125，分辨率最大可達(dá)0.0625 。DS18B20 可以直接讀出被測(cè)溫度值。而且采用3 線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。 DS18B20 是Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器，它是一種支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。一線總線將獨(dú)特的電源和信號(hào)復(fù)合在一起，并僅使用一條線，每個(gè)芯片都有唯一的編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)化的溫度感知，零功耗等待等特點(diǎn)。 本次設(shè)計(jì)課題涉及到人體體溫（35.5-41.2）所以在考慮成本及數(shù)據(jù)的精確性的同時(shí)，我

8、們選擇DS18B20作為傳感器具有簡(jiǎn)單，方便，節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)。3 心率測(cè)量模塊本次選擇作為心率傳感器是：pulsesensor.pulsesensor傳感器的原理是利用光傳感器吧，利用人體在心臟搏動(dòng)前后血液中氧含量的不同，進(jìn)而導(dǎo)致指尖，耳垂等肢端尖端部位的透光性不同，利用光傳感器轉(zhuǎn)成電信號(hào).一般都是指尖和耳垂，其他部位的透光率變化沒有這些尖端部位明顯. 4 電源模塊 本次設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路芯片選擇的是AMS1117 。AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計(jì)用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時(shí)，AMS1117器件的壓差保證最大不超過1.3V，并隨負(fù)載電流的減小而逐

9、漸降低。電路原理圖電路原理：電路按照整流、穩(wěn)壓、濾波設(shè)計(jì)電路。從左至右第一排由103電容與10微法電極電容組成整流電路，1117芯片作為3.3伏穩(wěn)壓電路，最后還由103電容與10微法電極電容組成濾波電路。5 報(bào)警模塊本作品的報(bào)警部分采用指示燈閃爍的方式來提醒使以便及時(shí)用者或者親人了解病人身體體征突發(fā)狀況，以便及時(shí)對(duì)病人實(shí)施相應(yīng)的措施。6 顯示部分本作品的顯示使用LCD5110顯示屏來顯示相關(guān)檢測(cè)參數(shù)，主要顯示體溫值，心跳值，呼吸值等人體體征參數(shù)的，并將檢測(cè)到的值實(shí)時(shí)反映給相關(guān)人員日后的分析診斷及研究。LCD5110采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，支持多種串行通信協(xié)議，

10、且低電壓供電，性價(jià)比高，接口簡(jiǎn)單，操作方便7無線傳輸模塊本次無線節(jié)點(diǎn)采用SM63B進(jìn)行無線傳輸，通過串口通信協(xié)議用于完成節(jié)點(diǎn)與主控直接的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，串口通信協(xié)議用于完成節(jié)點(diǎn)與主控直接的雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，設(shè)計(jì)思想基于枕幀傳輸方式，即在向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是一幀一幀地發(fā)送。圖9 無線通信模塊二 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本原理：三個(gè)傳感器分別與人體直接接觸，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器依據(jù)之前設(shè)定好的程序?qū)鬏攣淼男盘?hào)進(jìn)行處理。一方面將處理好的信號(hào)通過顯示屏顯示出來；另一方面對(duì)采集到進(jìn)行判斷，如果這些參數(shù)在正常的范圍內(nèi)則表示為正常，反之則表示這些參數(shù)不在正常范圍內(nèi)，這時(shí)候通過

11、抱緊模塊能發(fā)出警示信號(hào)，并借助數(shù)據(jù)傳輸和通信平臺(tái)緊急通知值班醫(yī)生和親朋好友，采取救治措施。2 理論計(jì)算1） 體溫計(jì)算設(shè)定體溫正常范圍35.5至40.5，測(cè)量實(shí)際過程中觀察被測(cè)溫度t與設(shè)定溫度大小關(guān)系：a 35.5t40.5，表示正常體溫b t35.5或t40.5，表示溫度不正常，報(bào)警啟動(dòng)2） 心率計(jì)算 設(shè)定心率正常范圍50至120次每分鐘，測(cè)量過程中觀察被測(cè)心率n與設(shè)定心率大小關(guān)系： a 50n120,表示心率正常 b n120或者n50, 表示心率不正常，報(bào)警啟動(dòng)3 模塊框圖及電路原理1） 溫度模塊體溫傳感器單片機(jī)（MSP430）顯示屏溫度判斷是否正常體溫報(bào)警裝置 溫度監(jiān)測(cè)模塊框圖體溫監(jiān)測(cè)環(huán)

12、節(jié)主要有溫度傳感器，LCD顯示屏，報(bào)警燈部分組成，分別由ds18b20、MSP430、5110、LED組成。 以下是溫度監(jiān)測(cè)程序部分代碼：/* 名 稱：write_byte（）* 功 能：?jiǎn)纹瑱C(jī)向DS18B20寫入一個(gè)字節(jié)* 入口參數(shù)：unsigned char byte。byte為單片機(jī)寫入的數(shù)據(jù)* 出口參數(shù)：無*/void write_byte(unsigned char byte)int i;for(i=0;i<8;i+)writebit(byte&0x01); /byte最后一位為1，這寫1時(shí)隙；若為0，則寫0時(shí)隙byte=byte>>1; /byte右移一位

13、，byte從低位到高位，逐位寫入_NOP(); /一個(gè)指令周期 機(jī)器周期完成一條指令所用時(shí)間/* 名 稱：read_byte（）* 功 能：?jiǎn)纹瑱C(jī)從DS18B20讀出一個(gè)字節(jié)* 入口參數(shù)：無* 出口參數(shù)：unsigned char ans。ans為單片機(jī)從DS18B20讀出的數(shù)據(jù)*/unsigned char read_byte()int t;unsigned char ans=0;for(t=0;t<8;t+)ans>>=1; /ans右移一位if(readbit()ans|=0x80; /若讀出1則，ans最高位寫入1，寫滿8位_NOP();return(ans); /返

14、回讀出的數(shù)據(jù)float readtemperature(void)/void main()/WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;float t;/while(1)/while(!reset() /訪問DS18B20以一個(gè)初始化序列未開始write_byte(0xCC); /總線上只有一個(gè)DS18B20，因此可直接跳過尋址 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 發(fā)溫度變換命令write_byte(0x44); /開始溫度轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換命令 啟動(dòng)DS1820進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時(shí)最長(zhǎng)為750ms（9位為93.75ms）。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)RAM delay_us(5000);

15、/等待轉(zhuǎn)換while(!reset() /等待DS18B20復(fù)位write_byte(0xCC);write_byte(0xBE); /讀暫存器 讀內(nèi)部RAM中9字節(jié)的內(nèi)容temp1=read_byte(); /讀出LStemp2=read_byte(); /讀出MSreset();t=(float)temp1*0.0625+(float)temp2*16; /計(jì)算溫度值/t=t*10+0.5; /放大10倍，四舍五入/return(t); /返回讀出的數(shù)據(jù)#endif 體溫監(jiān)測(cè)流程圖否體溫是否正常是紅燈亮報(bào)警紅燈滅不報(bào)警P1DQ 體溫監(jiān)測(cè)電路示意圖3.3V工作電源MSP430DS18B20L

16、CD51103.3V2） 心率模塊 心率傳感器單片機(jī)（MSP430）顯示屏心率判斷是否正常心率報(bào)警裝置心率監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)主要由心率傳感器，LCD顯示屏，報(bào)警燈部分組成，分別由pulsesensor、MSP430、5110、LED組成。以下是部分程序源代碼： unsigned int rate10; / 數(shù)組來保存最后十個(gè)IBI值 unsigned int amp = 120; / 用于保存脈沖波形的振幅，發(fā)送 unsigned int temp =0 ; /溫度 unsigned int BPM=600; / 用于保存脈沖速率 unsigned int IBI = 600; / 持有次之間的時(shí)間 u

17、nsigned int Peak =512; /初始化 心跳峰值 unsigned int Trough = 512; /用來尋找脈搏波最小值，發(fā)送 unsigned int thresh = 512; /初始化 心跳最小值 _Bool Pulse = false; /脈沖波高，真。假時(shí)，低 _Bool firstBeat = true; / 用于啟動(dòng) 發(fā)送速率數(shù)組 _Bool secondBeat = false; / 用于啟動(dòng) 發(fā)送速率數(shù)組 _Bool QS = false; / 為真時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一拍心跳節(jié)拍。 unsigned int Signal; / 持有傳入的原始數(shù)據(jù) unsigne

18、d long sampleCounter = 0; / 當(dāng)前時(shí)間 unsigned long lastBeatTime = 0; / 上個(gè)心跳時(shí)間 unsigned long time; /用于記錄時(shí)間/*初始化時(shí)鐘*void init_clock(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / 停止看門狗 DCOCTL =0; BCSCTL1 =CALBC1_8MHZ; DCOCTL =CALDCO_8MHZ; BCSCTL3 |=0X20; BCSCTL1 |=0X00; P1 心率監(jiān)測(cè)電路示意圖3.3V工作電源MSP430Psensenpor心率傳感器LCD5110無線傳輸心率監(jiān)測(cè)流程圖開始 設(shè)置所需變量設(shè)置AD采樣采樣心率信號(hào)計(jì)算心率值輸出心率值LCD顯示否是否在正常范圍紅燈亮報(bào)警是結(jié)束4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 1）體溫監(jiān)測(cè)方案與測(cè)試結(jié)果 體溫監(jiān)測(cè)實(shí)物圖如圖所示，將傳感器三個(gè)引腳用三個(gè)銅線相接，穿入硬質(zhì)管（類似于體溫表）。把傳感器放入腋下，這樣在短時(shí)間內(nèi)，人體體溫信號(hào)便通過傳感器傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制內(nèi)，再通過LCD5110顯示屏反饋，進(jìn)而可以了解病人體溫的變化情況，以便制定更好的治療方案，再加上運(yùn)用無線模塊，發(fā)送數(shù)據(jù)，更加便捷有效