基于MSP430单片机身体体征参数测定.docx

1、 电子设计大赛设计报告 题目身体体征信号监测仪（C题） 【本科组】组员： 指导老师：摘 要本身体体征信号监测仪是以MSP430单片机为控制核心，实现智能监测人体参数的多功能控制。主要功能包括在自己设定的参数范围下，利用传感器采集人体物理参数实现自主测量、利用无线传输数据，当身体体征参数超出正常范围时能发出警示信号，并借助数据传输和通信平台紧急通知值班医生和亲朋好友，采取救治措施。关键词 MSP40单片机、传感器、无线通信、报警 目 录摘要1系统方案 1.1 单片机控制模块选择1.2 体温监测模块选择1.3 心率测量模块 1.4 电源模块1.5 报警模块1.6 显示部分 1.7 无线传输部分2系

2、统理论分析与计算 2.1 整体系统结构 2.2 理论计算 2.2.1 体温计算 2.2.2 心率计算2.3 模块框图及电路原理 2.3.1 温度模块 2.3.2 心率模块 2.4 测试方案与测试结果 2.4.1 体温测量方案 2.4.2 心率测量方案3 测试结果及分析 3.1 体温测量结果 3.2 心率测量结果身体体征信号监测仪（C题）【本科组】一 系统方案 本系统主要是由控制模块、体温监测模块、心率监测模块、呼吸频率检测模块、电源模块、报警模块及显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1 单片机控制模块选择方案一：使用51单片机作为控制器方案二：使用MSP430单片机作为控制器对于方案一

3、，众所周知51单片机是一款入门级别单片机，因为它的资料非常多，非常利于入门的学习，但是这款单片机功耗高，有许多协议不支持。所以是一块比较适合入门的单片机。 51单片机实物图所以，对于初学者和设计简单系统51单片机确实很理想的选择，但51单片机有很多致命的缺陷，例如1. 运行速度很慢，（因为是CISC（集中指令）结构，而且芯片为了抗干扰采用了12分频的方法）2. 所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱。（但是AT89的灌电流比较大，大概有20mA左右）3. 芯片里面的P0口没有上拉电阻（P1,P2,P3口有上拉电阻）如果要输出高电平或者要定义成输入口，一般要外接电阻上拉。4. 芯片不能

4、定义成内部复位方式，只能用外部微分电路复位。5. 芯片内部没有RC振荡，如要芯片正常工作，需要外加振荡源（比如晶振，RC振荡，PLL振荡等）6. 功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。 51单片机实物图由于本课题设计到人体体征这一重要概念，这些基本参数直接影响人体健康。很明显51单片机的一些缺点直接影响最后数据的准确性与测量效率，所以这种方案不是理想的选择。对于方案二，MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。 430单片机我们本次使用的430系列中G2553，

5、它具有以下优势：430G2553低电源电压范围：1.8v至3.6v。超低功耗 运行模式： 230A （在1MHz 频率和2.2V 电压条件下）待机模式： 0.5A关闭模式（RAM 保持）： 0.1A5 种节能模式 用于模拟信号比较功能或者斜率模数(A/D) 转换的片载比较器 可在不到1s 的时间里超快速地从待机模式唤醒 16 位精简指令集(RISC) 架构，62.5ns 指令周期时间 带内部基准、采样与保持以及自动扫描功能的10位200-ksps 模数(A/D) 转换器 基本时钟模块配置 具有四种校准频率并高达16MHz 的内部频率 串行板上编程， 内部超低功耗低频(LF) 振荡器无需外部编程

6、电压， 32kHz 晶振 外部数字时钟源 具有两线制(Spy-Bi-Wire) 接口的片上仿真逻辑电路 两个16 位Timer_A，分别具有三个捕获/比较寄存路器 多达24 个支持触摸感测的I/O 引脚鉴于本次课题测量参数与人体健康有关，使用430G2553具有很多优势，而且操作也很简单，所以综上所述，我们选择430G2553单片机作为控制器。2 体温监测模块选择本次选择作为温度传感器是DS18B20：常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20 的测温范围-55125，分辨率最大可达0.0625 。DS18B20 可以直接读出被测温度值。而且采用3 线

7、制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。 DS18B20 是Dallas 半导体公司的数字化温度传感器，它是一种支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点。 本次设计课题涉及到人体体温（35.5-41.2）所以在考虑成本及数据的精确性的同时，我们选择DS18B20作为传感器具有简单，方便，节约成本的优势。3 心率测量模块本次选择作为心率传感器是：pulsesen

8、sor.pulsesensor传感器的原理是利用光传感器吧，利用人体在心脏搏动前后血液中氧含量的不同，进而导致指尖，耳垂等肢端尖端部位的透光性不同，利用光传感器转成电信号.一般都是指尖和耳垂，其他部位的透光率变化没有这些尖端部位明显. 4 电源模块 本次设计稳压电路芯片选择的是AMS1117 。AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。电路原理图电路原理：电路按照整流、稳压、滤波设计电路。从左至右第一排由103电容与10微法电极电容组成整流电路，

9、1117芯片作为3.3伏稳压电路，最后还由103电容与10微法电极电容组成滤波电路。5 报警模块本作品的报警部分采用指示灯闪烁的方式来提醒使以便及时用者或者亲人了解病人身体体征突发状况，以便及时对病人实施相应的措施。6 显示部分本作品的显示使用LCD5110显示屏来显示相关检测参数，主要显示体温值，心跳值，呼吸值等人体体征参数的，并将检测到的值实时反映给相关人员日后的分析诊断及研究。LCD5110采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，支持多种串行通信协议，且低电压供电，性价比高，接口简单，操作方便7无线传输模块本次无线节点采用SM63B进行无线传输，通过串口通信协议用于完成

10、节点与主控直接的双向数据传输功能，串口通信协议用于完成节点与主控直接的双向数据传输功能，设计思想基于枕帧传输方式，即在向串口发送数据时是一帧一帧地发送。图9 无线通信模块二 系统理论分析与计算1 整体系统结构基本原理：三个传感器分别与人体直接接触，然后将采集到的数据传输给控制器，控制器依据之前设定好的程序对传输来的信号进行处理。一方面将处理好的信号通过显示屏显示出来；另一方面对采集到进行判断，如果这些参数在正常的范围内则表示为正常，反之则表示这些参数不在正常范围内，这时候通过抱紧模块能发出警示信号，并借助数据传输和通信平台紧急通知值班医生和亲朋好友，采取救治措施。2 理论计算1） 体温计算设定

11、体温正常范围35.5至40.5，测量实际过程中观察被测温度t与设定温度大小关系：a 35.5t40.5，表示正常体温b t35.5或t40.5，表示温度不正常，报警启动2） 心率计算 设定心率正常范围50至120次每分钟，测量过程中观察被测心率n与设定心率大小关系： a 50n120,表示心率正常 b n120或者n50, 表示心率不正常，报警启动3 模块框图及电路原理1） 温度模块体温传感器单片机（MSP430）显示屏温度判断是否正常体温报警装置 温度监测模块框图体温监测环节主要有温度传感器，LCD显示屏，报警灯部分组成，分别由ds18b20、MSP430、5110、LED组成。 以下是温度

12、监测程序部分代码：/* 名 称：write_byte（）* 功 能：单片机向DS18B20写入一个字节* 入口参数：unsigned char byte。byte为单片机写入的数据* 出口参数：无*/void write_byte(unsigned char byte)int i;for(i=0;i1; /byte右移一位，byte从低位到高位，逐位写入_NOP(); /一个指令周期 机器周期完成一条指令所用时间/* 名 称：read_byte（）* 功 能：单片机从DS18B20读出一个字节* 入口参数：无* 出口参数：unsigned char ans。ans为单片机从DS18B20读出的

13、数据*/unsigned char read_byte()int t;unsigned char ans=0;for(t=0;t=1; /ans右移一位if(readbit()ans|=0x80; /若读出1则，ans最高位写入1，写满8位_NOP();return(ans); /返回读出的数据float readtemperature(void)/void main()/WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;float t;/while(1)/while(!reset() /访问DS18B20以一个初始化序列未开始write_byte(0xCC); /总线上只有一个DS18B20，因此可

14、直接跳过寻址 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令write_byte(0x44); /开始温度转换 转换命令 启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM delay_us(5000); /等待转换while(!reset() /等待DS18B20复位write_byte(0xCC);write_byte(0xBE); /读暂存器 读内部RAM中9字节的内容temp1=read_byte(); /读出LStemp2=read_byte(); /读出MSreset();t=(float)temp1*0

15、.0625+(float)temp2*16; /计算温度值/t=t*10+0.5; /放大10倍，四舍五入/return(t); /返回读出的数据#endif 体温监测流程图否体温是否正常是红灯亮报警红灯灭不报警P1DQ 体温监测电路示意图3.3V工作电源MSP430DS18B20LCD51103.3V2） 心率模块 心率传感器单片机（MSP430）显示屏心率判断是否正常心率报警装置心率监测环节主要由心率传感器，LCD显示屏，报警灯部分组成，分别由pulsesensor、MSP430、5110、LED组成。以下是部分程序源代码： unsigned int rate10; / 数组来保存最后十个

16、IBI值 unsigned int amp = 120; / 用于保存脉冲波形的振幅，发送 unsigned int temp =0 ; /温度 unsigned int BPM=600; / 用于保存脉冲速率 unsigned int IBI = 600; / 持有次之间的时间 unsigned int Peak =512; /初始化 心跳峰值 unsigned int Trough = 512; /用来寻找脉搏波最小值，发送 unsigned int thresh = 512; /初始化 心跳最小值 _Bool Pulse = false; /脉冲波高，真。假时，低 _Bool first

17、Beat = true; / 用于启动 发送速率数组 _Bool secondBeat = false; / 用于启动 发送速率数组 _Bool QS = false; / 为真时，发现了一拍心跳节拍。 unsigned int Signal; / 持有传入的原始数据 unsigned long sampleCounter = 0; / 当前时间 unsigned long lastBeatTime = 0; / 上个心跳时间 unsigned long time; /用于记录时间/*初始化时钟*void init_clock(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /

18、 停止看门狗 DCOCTL =0; BCSCTL1 =CALBC1_8MHZ; DCOCTL =CALDCO_8MHZ; BCSCTL3 |=0X20; BCSCTL1 |=0X00; P1 心率监测电路示意图3.3V工作电源MSP430Psensenpor心率传感器LCD5110无线传输心率监测流程图开始 设置所需变量设置AD采样采样心率信号计算心率值输出心率值LCD显示否是否在正常范围红灯亮报警是结束4 测试方案与测试结果 1）体温监测方案与测试结果 体温监测实物图如图所示，将传感器三个引脚用三个铜线相接，穿入硬质管（类似于体温表）。把传感器放入腋下，这样在短时间内，人体体温信号便通过传感

19、器传输到单片机控制内，再通过LCD5110显示屏反馈，进而可以了解病人体温的变化情况，以便制定更好的治疗方案，再加上运用无线模块，发送数据，更加便捷有效。经过实体测试，人体温度可以准确检测出来，还保留有小数，更加准确，同时，也可以通过无线准确发送到主控节点，LCD5110显示。2）心率监测方案与测试结果心率的采集主要通过pulsesensor传感器采集，采用绑带式，绑在人的一根手指上，采集心率信号传输给单片机内，通过A/D采样，计算出心率值，在通过显示屏显示相关参数。经过实体测试，可以较准确采集到实时的心率值。三 测试结果及分析1 体温测量测量数据37036.538.2结果报警灯灭报警灯灭报警灯亮上表数据表明，体温监测模块正常工作。2 心率测量测量数据80次85次120次结果报警灯灭报警灯灭报警灯亮上表数据表示，心率监测模块正常工作。