基于MSP430的人体健康测量仪设计.docx

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基于MSP430的人体健康测量仪设计

本科生毕业论文（设计）

题目基于msp430的人体健康测量仪的设计

学生姓名

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指导教师

二Ｏ一六年五月二十五日

基于MSP430的人体健康测量仪的设计

摘要：

由于人们生活质量的不断提高，人们越来越关注自身的健康问题。

人体的高低血压值（收缩压和舒张压）、脉搏值和体温值是检测人体健康状况的重要生理指标。

实时监控这些参数，能帮助人们做到对自身身体健康状况的了解。

本文设计了一个基于MSP430的人体健康体征数据的测量仪，以MSP430F149单片机为主要控制部分，通过温度传感器模块测量人体温度，血压模块测量人体血压，光电传感器测量人体脉搏，并将测量的数据显示到液晶显示屏上，最后将测得人体健康参数和正常值对比，若有异常可以及时报警，无异常则完成对人体健康的测量。

本设计的系统具有稳定的性能、低功耗、低成本等诸多优点。

关键词：

MSP430单片机；DS18B20温度传感器；血压模块；光电传感器；

DesignofhumanbodyhealthmeasuringsystembasedonMSP430

Abstract:

Duetothecontinuousimprovementofpeople'squalityoflife,peoplepay

moreattentiontotheirownhealthproblems.Humanvaluesofhighandlowbloodpressure（systolicanddiastolicbloodpressure）,heartratevalueandtemperaturevalueisanimportantphysiologicalindextomeasurewhetherthehumanbodyhealth.Realtimemonitoringoftheseparameterscanhelppeopledotheirownphysicalhealthknowledge.Thispaperdesignedahumanhealthmeasuringinstrument,hardwarebasedonMSP430F149MCUisgivenprioritytothebodyofthedesigncanrealizethefollowingfunctions:

measurethebodytemperaturebytemperaturesensormodule,modulemeasuringhumanbodybloodpressureandPhotoelectricsensormeasuringthehumanbodyheartrate,bloodpressurewillbemeasuredtohumanhealthparametersandnormalcontrastmeasurementstohumanbodyhealth,anddisplayontheLCDscreen,onthewholethedesigntorealizedataacquisition,processinganddisplayfunctions,andthedesigntohavestableperformance,lowpowerconsumption,lowcost,andmanyotheradvantages.

Keywords:

MSP430singlechipmicrocomputer;DS18B20temperaturesensor;Bloodpressuremodule;Photoelectricsensor;

1.绪论

人体健康测量仪的设计一直以来都是热门的研究方向，以往要测量这些数据都必须去医院或者乡镇医务室请相关专业人员测量，这样给人们无论是被测者或者测量者都带来了麻烦，换句话说就是无法在家自己操作来测量这些数据，同时人体体温、血压和脉搏这些数据的检测都必须单独进行且所用到的有关测量仪器皆不具有报警功能。

本次设计以MSP430F149单片机来作为本次设计的测量仪的硬件核心部分，要实现对其的控制就必须使用它的语言即编写相关的C语言程序，控制单片机后就可以发出一些指令来完成对人体基本健康体征数据的测量，本次设计的测量功能强大但操作却十分简单，广大普通老百姓都能在家独自完成仪器的使用，而且售价较低，值得大范围推广。

此设计监测人体的体温、血压和脉搏。

此三项健康数据只要有一项以上超过正常数值范围仪器就会立即发声报警，进而时刻提醒人体关注自身的健康程度。

1.1研究背景及意义

我国人口老龄化现象日趋严重，人体健康的数据指标检测越来越受到人们的重视。

及时准确地测量代表人体健康状况的三项指标，可以有效地预警各种病症的发生，对人体的健康起到预防作用。

在体温、脉搏、血压等这些健康指标中，人们又尤其重视血压的大小。

现在我国的高血压患者人数大概占成人的三分之一，总人数突破3.3亿，高血压控制率却非常的低，只有不到10%，高血压会直接或间接引发人体的一些心脑血管疾病，根据相关数据显示，我国每年300万例心脑血管疾病患者死亡一半以上都与高血压有关。

因此人们应该长期、有效、定时地监测自己的血压值，来及时了解并加以治疗，以降低高血压疾病给其患者所带来的致命的伤害。

本课题所设计的测量仪可以测量体温、脉搏、血压等人体体征指标。

传统相关测量设备的功能相对单一，大多仅仅只能测量某一项体征数据，所以要测量人体多个健康指标就需要多个仪器分数次测量，这样给被测者测量数据、携带和储藏相应仪器等带来不便，而且大多仪器只能显示测量数据却不能及时提供数据背后反映的测量人身体的健康状况。

20世纪初电子技术开始了迅猛的发展，人们开始把电子技术运用到各种仪器的创新开发上面，这里就包括测量人体健康体征数据，使其测量的方法呈现多样化的趋势，由最早去医院请医生手动帮忙测量到现在可以在家独自利用数字化、综合化的测量仪自行测量。

而且这些电子测量仪的功能和操作方式越来越朝人性化方面发展。

1.2功能及方案分析

本设计是一种可以用来同时测量人体多项健康体征数据的仪器，它的检测项目包括体温、血压和脉搏，人性化功能则有两个：

一是将三组测量数据利用液晶显示屏同时显示，二是针对测量中出现的超限数据及时进行报警。

由于液晶显示屏设计的是同时显示多组数据，这就必须对各组数据加以识别，因此在液晶显示屏中各组数据的前面都有相应的字母来提示，剩下的部分则显示测量数据。

温度用T表示，脉搏为XL开头，血压设置SS收缩、SZ舒张两组数据。

同时加入蜂鸣报警装置，最终实现不仅能正确、及时地显示测量的结果，还能针对超常数据实现快速报警的目的。

该测量仪是以MSP430F149单片机为核心，辅以一些相应电路并编写相关程序而设计的。

对于体温测量，先通过温度传感器来采集体温信号，然后将采集到的电压模拟信号经过A/D转换成数字信号后送入主控单片机中进行相关处理，最后将结果显示于液晶显示器上；对于血压测量，先充气给袖带，通过压力传感器的测量，将测量到的模拟信号经过滤波电路的处理分离出袖带压力信号，再经过传感器自带的A/D转换模块将压力信号转换成数字量，然后送入单片机处理，并显示在液晶显示器上。

对于脉搏测量，先用对射式红外光电传感器来采集脉搏信号，由于采集到的电信号比较微弱，这时就必须用到放大电路来将信号放大，但因为采集信号过程中可能存在干扰，接下来就需要调整这个电信号波形的电路，经过这两个电路的处理结果出来的将是一个接近完整的方波信号，然后将该信号送入单片机中进行相关处理，最后将处理的结果显示在显示屏上面。

同时该测量仪具有复位键，一轮数据测量结束后，若想再次测量就可以通过复位键来清楚数据，当然也可以关闭电源重新启动。

这样一来，整个仪器方便便携，没有纷繁复杂的按键，更加适合老年人操作使用。

超限报警系统对于测量的数据结果是否超限就必须有正常的数据标准来对比。

查阅相关资料后，得知人体健康体征参数的正常范围值：

成年人的正常体温值平均保持在36℃～37.5℃之间（这是在对腋下位置检测的结果），人体的正常血压值范围是：

收缩压≤130mmHg,舒张压≤85mmHg;测量数据不正常既报警。

人的正常脉搏值大约保持在每分钟60-100次，老年人和婴儿可能会稍慢一点，本系统设置当监测出的三组数据至少有一组数据异常时，蜂鸣器将以发出声音提醒测试者的方式来进行报警，告诉测量者身体健康出现状况来，需及时到医院做全面检查来。

2.设计方案介绍

本次设计的是一种可以用来同时测量人体多项健康体征数据的仪器，下面将对本次设计的方案思路做一个全面的介绍，另外关于方案中的各个模块用到的电路以图的方式一一介绍，最后还有对方案中提到的相关器件的选择原因和该器件本身做一个详细介绍。

2.1设计原理及整体原理框图

人体体征数据测量仪主要由MSP430F149单片机主控部分、温度测量部分、血压测量部分、脉搏测量部分、数据显示部分和超额报警部分等部分组成，它的正常工作内容包括三项：

测体温、测血压和测脉搏。

这些对反映人体健康状况所必须的数据可以通过该设计的仪器来显示，同时对出现测量数据的超限情况可以及时报警。

这样有关该仪器设计初的期望设计功能就可以稳稳的实现。

和毕设老师讨论后认为这个设计的方案思路是切实可行的。

下图2.1是关于此次设计方案的模块图。

图2.1人体健康测量仪的模块组成框图

2.2各部分器件选择原理

从上述的设计方案框图可以看出，本次设计方案包括6个主要部分，分别是单片机、体温测量部分、血压测量部分、脉搏测量部分、显示部分以及超额报警部分。

2.2.1单片机选择

本设计单片机模块选用MSP430F149。

MSP430F149是TI公司主打的一款超低功耗的16位单片机。

特点：

①低电压、超低功耗。

工作电压1.8V~3.6V，正常工作模式280μA@1MHz，2.2V，待机模式1.6μA，RAM数据保存的掉电模式下0.1μA。

五级节电模式。

②快速苏醒，从待机模式下恢复工作，只需要不到6μS时间。

③16位精简指令集MCU，命令周期125nS。

④12位ADC，它自带12位的模数转换器，而且该转换器的精度较高，这样一来就省去了刻意外加数模转换器给设计电路板的布置排版带来了的麻烦。

⑤2个16位计数器。

具有捕获、门限功能。

⑥具有片内比较器。

⑦支持ISP（在线系统编程），方便开发和项目升级。

⑧支持序列号，熔丝位烧写。

方便简单。

⑨双串口

⑩支持超小型封装：

64P-QFP、64P-QFN。

2.2.2体温测量模块

体温检测模块所使用DS18B20温度传感器具有体积较小，硬件消耗较低，抗干扰能力强，精度特高的特点。

与传统的利用热敏电阻的阻值-温度特性再根据阻值的变化来测温度的方法相比，它能够直接读出被测温度，避免了编写繁琐单片机内部程序来计算该阻值对应的外界温度，而且它的测温精度特高，由于不同场合要求得测温精度不一样，通过简单的程序控制，可以使DS18B20的测温精度最高达到9-12位，即最后液晶显示屏最多可以显示9-12温度值。

而且DS18B20本身是单线接口，也就是说它的读写只要一根线，同时其内部用作实现稳定转化的所需功率也仅仅来自数据总线，更重要的是这根总线可向该DS18B20提供所需的工作电源，进而对于DS18B20器件就不需要另加工作电源，这就大大降低了设计的人体健康体征数据电子测量仪的结构复杂程度，同时也提高了系统的可靠性。

与其他的温度传感器相比，它在测量精度、切换时间等方面具有明显的优势。

这就促使我在体温测量部分选它作为传感器。

图2.2体温测量部分原理图

2.2.3血压测量模块

血压测量模块采用血压传感器HKB-08B，HKB-08血压模块采用腕式血压测量方式，USB接口，USB供电。

适合于基于计算机的血压测量相关系统。

下图2.3为血压测量部分的原理图。

图2.3血压测量部分原理图

2.2.4脉搏测量模块

纵观现在的测脉搏的方法不外乎都是对脉搏波的测量来计算脉搏的。

而脉搏波检测有多种种检测方法，比如光电容积、液体耦合腔、压阻式等。

近年来，光电检测技术的发展和其自身的优势使其在临床医学应用等领域中越来越受到广泛的重视，这主要是因为光能避免受到强烈的电磁干扰，而且其绝缘性超高，最重要的是光可非侵入地检测病人的各种症状信息。

用光电法提取指尖脉搏光信息引起了相关专家和学者的关注。

本系统设计利用指套式的光电传感器，实现了光电隔离，最大限度地减少了对后续相关电路的干扰。

有关脉搏测量模块的流程原理可参照下图2.4，信号采集过后还需放大和整形，所以外接辅助电路自然包括这三个电路。

实验表明脉搏波会影响手指的半透明度，存在脉搏波时其值增大；而光电传感器的采集信号原理是利用一定强度不变的红外光照射物体，再通过红外光电二极管在物体的另一侧接受红外光强，接着输出电信号。

指套式光电传感器采集指尖脉搏信号，当有脉搏波信号到来时，由上述原理可知，会输出高电平电源信号，反之，在没有脉搏波到来的情况下输出的是低电平的电影信号。

如此往复的脉搏波会使光电传感器输出的电压信号呈现与正弦波信号相似的情况，而且该电压信号的频率和脉搏数呈正比关系。

举个例子，如果一个成人的正常脉搏是每分钟88次，则输出的电压信号的频率就是1.47Hz，由此可见电压信号的频率比较低，是个低频信号。

那么这时就必须用到放大电路来将信号放大，但因为采集信号过程中可能存在干扰，接下来就需要调整这个电信号波形的电路，经过这两个电路的处理结果出来的将是一个接近完整的方波信号，然后将该信号送入单片机中进行相关处理，最后将处理的结果显示在显示屏上面。

图2.4脉搏模块信号采集原理流程图

各个用到的相关电路的功能介绍：

（1）信号采集电路最终采集的是电压信号，这是采集光电二极管的输出电压信号；

（2）由于采集的电压信号是低频的微弱信号，则必须低通放大电路对其实现信号放大，同时去除高频干扰信号。

（3）由于电压信号的采集存在各种干扰导致其信号的波形不规则，这时就必须可以调整其波形的电路，这就使整形电路的作用，作用后输出高低幅值分别为5V和0V的类似于方波的信号。

（4）单片机电路将接收到的电压信号通过一定的换算公式得出脉搏数值。

并把该值送入显示模块。

2.2.5测量数值的显示部分

本次设计的人体健康体征数据测量仪的一大期望功能就是尽量清晰的将测量的三组数据同时显示在一个屏幕上。

而通常我们用到的用于显示数据的方案有两种：

（一）：

液晶显示屏。

它产生的辐射基本为零、而且运行损耗能力特低，又具备散热小、纤薄轻巧、精确还原图像、显示字符锐利和屏幕调节方便等优势，同时屏幕的可视面积大、分辨率高则显示的效果更佳。

最重要的液晶显示屏可完成同时显示多组数据的任务。

（二）：

数码管。

数码管是一种常规的显示屏，它的显示原理是：

通过对其不同的管脚通入相对的电流并使其发光，发亮从而显示出各种阿拉伯数字，因此它能够显示一切可以用数字表示的测量结果，比如时间、温度、气压等等。

正是因为它经济实惠，故而在家用电器方面使用特别广泛。

但是它的缺点是只能显示一组数据，且仅仅只能显示数字，字母就不能显示来。

所以想要同时显示体温、血压和脉搏，并加以分类显示，数码管则无能为力。

根据设计需求的同时显示多组数据的效果，所以最终选择液晶显示屏。

考虑到所要显示的三组数据，选择LCD1602液晶显示屏，它是点阵型的液晶显示模块，1602是指显示屏是2行每行16个字符。

它的显示功能比较强大，除了数字以外，还可以显示字母和符号等。

而且它每行的各个字符之间都存在一定的距离，这样有利于更加方便的区分显示的内容，对有效的传递信息具有重要的意义。

2.2.6测量数据超限报警部分

本次设计的测量仪将采用蜂鸣器作为报警装置。

蜂鸣器是一个常见的搭配单片机的报警装置，通过单片机编程控制，来在出现超限的测量数据时发出像蜂鸣一样的声音来提醒测量者：

身体状况以及出现异常，应当及时去医院全面检查并就诊了。

本次设计的测量仪的报警条件是在体温、血压和脉搏这三项测量值中至少有一个不在设定的正常范围内时。

这个正常的范围是：

成年人在正常情况下体温值在36℃～37.5℃之间，正常脉搏跳动次数为每分钟60-100次之间，正常血压值为：

收缩压≤130mmHg,舒张压≤85mmHg。

所以一旦测量的体温、血压和脉搏值中至少有一项数据异常时，蜂鸣器就会发出报警声响，从而来提醒人们身体出现异常了。

3.硬件系统设计

本次设计的人体健康体征数据测量仪的硬件电路部分主要包括：

复位、稳压、晶振电路,体温测量部分的电路，血压测量部分的电路，脉搏测量部分的电路，液晶显示部分电路和蜂鸣报警部分电路。

本次系统用到的器件包括MSP430F149单片机，温度传感器DS18B20，血压传感器HKB-08，光电传感器，1602LCD液晶显示屏和蜂鸣报警器。

下面将针对这些用的的器件作详细的介绍，同时也将以电路图的形式来解释介绍这些器件所需的辅助电路。

3.1硬件器件简介

3.1.1MSP430F149单片机的介绍

本次设计的测量系统中单片机部分主要有测量部分，此次选用的MSP430单片机功能强大，它对不同的各种混合信号的处理能力十分出众，而且能根据不同的需求，而将功能不尽相同的多个模拟电路、数字电路和相关微处理器模块集成在一个芯片上。

因而又被称为混合信号处理器。

（一）特性：

信号的处理能力十分强大：

MSP430系列的单片机都是16位的机器，它们的所有指令组成的集合具有简洁的结构，而且单片机内部工作方式中的寻址方法很多，同时由于它们的每条内核指令都十分精简，所以指令总数不多总27条。

最重要的是它们的内部具有大量的模拟指令，而这些无与伦比的优势赋予来这个系列单片机超强的信号处理能力。

对于某些在测量数据处理时需要用到查表功能时，在MSP430系列单片机这里更是不在话下，因为他的查表指令十分高效，这就使它的控制程序的编写变得相对简单了。

信号的处理速度十分快：

MSP430系列单片机内部的驱动晶体的频率可以很大，这就使它的每条指令的周期变得十分短，换句话说就是使单片机对输入其中的信号处理的速度变得很快。

信号处理过程中的功耗很低：

由于MSP430系列单片机可以在很低的工作电源的情况下正常工作，同时它的运行时钟的灵活性和可靠性要比一般的单片机更好。

所以该系列单片机在运行过程中所消耗的功率很低。

这里考虑到其他的器件的工作电压为3.3V,我们可以设置此次用到的单片机的工作电压也是3.3V。

单片机内部资源丰富：

MSP430系列单片机内部拥有大量的片内外设和中断源，因此可以加以利用，这就使得许多单片机的需求问题的解决变得轻松加愉快。

（二）MSP430F149单片机的最小系统模块

单片机的最小系统是指使单片机正常工作所需的最少的外部电路条件组合在一起的系统。

下图就是MSP430F149单片机正常工作的最小系统。

如图所示，其所需的晶振电路由晶体振荡器提供，而这个振荡器则接在单片机的8号引脚和9号引脚，电源引脚部分和一个0.1uF的电容并联接在3.3V电源上，复位电路则接在63号引脚和57号引脚，复位电路也是经电容接在3.3V电源上。

而单片机的其余引脚都可以作为各个传感器采集的信号输入单片机的引脚处。

当然，想要单片机正常工作这个最小的系统是必须的。

图3.1MSP430单片机最小系统电路图

3.1.2DS18B20简介及其工作原理

DS18B20温度传感器具有体积较小，硬件消耗较低，抗干扰能力强，精度特高的特点。

与传统的利用热敏电阻的阻值-温度特性再根据阻值的变化来测温度的方法相比，它能够直接读出被测温度，避免了编写繁琐单片机内部程序来计算温度的种种麻烦，而且它的测温精度特高，由于不同场合要求得测温精度不一样，通过简单的程序控制，可以使DS18B20的测温精度最高达到9-12位，即最后液晶显示屏最多可以显示9-12温度值。

则使用DS18B20温度传感器可使测量仪系统的结构愈发趋于简单，同时提高了系统的可靠性。

与其他的温度传感器相比，它在测量精度、切换时间等方面具有明显的优势。

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的显示位数会因分辨率不同而有所差异，同时温度转换时的延时由2s降低到750ms。

它的封装如图3.2所示。

图3.2DS18B20封装图

（一）DS18B20内部结构简单介绍

DS18B20的内部结构图如下，由图可见从左至右为，供电环节、64位ROM端口、带逻辑控制的寄存器和一些功能模块。

图3.3DS18B20内部结构图

（二）DS18B20的使用注意事项

尽管利用DS18B20的体温测量模块的测量原理相对简单，同时由于DS18B20的存在导致测量的精度较高，而且与单片机和电源的连接方式相对简单。

但在具体使用时也应该注意一下问题：

由于测温系统的原理简单，所以它的硬件开销也相对较小，那么此时就必须要用软件部分通过比较复杂的程序来实现对它功能的补偿。

另一方面，它与单片机之间传送的是串行的数据，这时在编写程序的时候，读写时序就必显得尤为重要。

没有读写时序就不可能正常的都取测温的结果。

3.1.3血压传感器HKB-08B简介及其工作原理

血压测量模块采用血压传感器HKB-08B，HKB-08B血压模块采用腕式血压测量方式，USB接口，USB供电。

适合于基于计算机的血压测量系统。

该产品设有USB、RS232、UART等数据接口，也可以与蓝牙、WiFi等无线模块组合，形成一个多参数无线采集系统。

1、外部结构：

见下图3.4所示。

图3.4血压传感器HKB-08B外部结构图

外部接口介绍：

a、模块上设置有USB接口，并由USB接口为传感器供电。

b、模块上设置有数据扩展接口，作用为：

*引出UART（RS232、TTL232）、电源，波特率统一为115200。

*连接多个模块，将多个模块组合为一台设备。

组合后只需选择一个数据接口连接到上位机。

但是，本设计只是利用该传感器的采集血压的信号的功能，而没有用的它的无线模块。

2、为了正确采集信号必须注意的有：

1、采集信号时传感器的袖带必须包裹在手腕处，松紧适中，再用手感触到脉搏跳动处，将气管对准那里。

2、再将手腕抬高，放置于和心脏同一水平处。

3、采集信号过程中身体保持静止，不要憋气，正常呼吸即可。

4、仪器要多次使用时，各次测量之间应该间隔一定时间，以30分钟为宜。

3.1.4光电传感器简介

光电传感器是一种采用光电元件的传感器。

首先它把被测量的变化量转化成光信号的改变量，然后再由光电元件做进一步处理将光信号变量转换成电信号变量。

特长：

①检测距离长

在对射型中与实物之间的检测距离可以保持在10m以上，而其他检测手段（磁性、超声波等）都无法远距离检测。

②对检测物体的限制少

由于它的检测原理是利用被检测物体引起的光线变化（如遮光和反射），因而不会像其他必须接近实物才能采集数据的传感器那样，只能对特定的实物进行信号的采集，它几乎可以任何事物进行信号的采集。

③信号的响应时间较短

由于光电二极管接收的是光信号，而光的传输速度是最快的，这就使光信号变化接收器的响应时间较短。

同时，这个光电传感器内部都是电子元件，不存在机械部分，因此进一步的缩短来响应的时间