基于單片機的肺活量測量儀的設計

萬宇++曹玉東++劉文澤

摘 要：以智能、便捷為核心，以STC89C52RC的芯片作為主控芯片，使用傳感器XGZP6847測量一定時間內的氣體流量，通過一定算法計算肺活量的測量值，并通過12864LCD以及語言播報模塊OE6590處理相關信息。

關鍵詞：單片機 氣體壓力傳感器 語音播報

隨著社會經濟的繁榮，周休二日的實施，人們的生活方式有了重大的改變。加上人口日趨高齡化，隨之而起的健康養生意識逐漸受到大家重視。運動成為生活的一部份，因此『終身運動』成為全民所關心的重大議題。終身運動的提出必然帶動體質測量儀的發展。肺活量測量儀是體質測量儀中的一部分，當然也不例外。目前，學校里體檢項目中的肺活量測量，基本上采用排水法實現，該儀器體積大，測量不精確，而本文以XGZP6847傳感器作為實現肺活量測量的核心，不但體積小，便于攜帶，而且測量精確，使用方便。

一、系統設計

本設計由STC89C52RC為核心電路進行系統的整體控制，由電源電路、獨立按鍵電路、顯示電路、A/D轉換電路、壓力傳感器電路、串口電路及語音模塊電路組成、系統設計總體圖如圖1所示。通過氣體壓力傳感器XGZP6847測量一定時間內的氣體流量，氣壓傳感器置于已知截面積的細管中，結合氣壓與流速的關系以及測量時間得出總的氣體流量。再經由液晶顯示以及語音模塊進行語音播報。并且通過MAX232與上位機進行通信。

（1）單片機最小系統

單片機最小系統由單片機、晶振電路、復位電路、按鍵電路、下載電路組成。晶振電路為單片機工作提供時鐘信號；復位電路用于對單片機進行復位；按鍵電路的作用是控制肺活量測試的開關以及查詢的功能；下載電路采用串口下載方式，通過單片機P3.0、P3.1口、利用CH340進行下載與調試，單片機最小系統電路如圖2所示。

（2）語音電路

OE6590語音（MP3）模塊是一款高性能語音模塊，模塊支持MP3、WAV解碼，支持FLASH/TF卡/U盤三種存儲方式。插電腦USB可以直接更新FLASH與TF卡的內容，支持FAT16、FAT32文件系統。通過簡易串口指令即可完成播放指定的音樂，以及控制音量大小等功能。模塊的控制方式分四種： UART串口控制（功能最齊全），ADC按鍵控制（MP3功能控制），一對一5按鍵控制（一對一音頻控制），紅外遙控器控制（根據遙控器功能控制）。模塊帶3W功放，可直接推動4歐3-20W的喇叭。OE6590主要面向中高端語音產品應用領域，該產品聲音效果非常出色，就是一個功能強大的MP3播放器。語音模塊電路圖如圖3所示

（3）肺活量采集電路

設計的肺活量采集模塊由氣體壓力傳感器XGZP6847、AD采集單元、液晶顯示單元和ISP下載單元等構成。

①單片機單元

單片機是整個系統的控制核心，本文選用STC89C52RC，測量時，單片機主要接收和處理AD采集的數據，將數據進行處理之后，顯示在液晶顯示器上。

②氣體壓力傳感器單元

氣體壓力傳感器XGZP6847，如圖4所示，采用XGZP 型壓阻式壓力敏感元件，是一款適用于生物醫學、汽車電子等領域的壓力傳感器，其核心部分是一顆利用MEMS 技術加工的硅壓阻式壓力敏感芯片。該壓力敏感芯片由一個彈性膜及集成在膜上的四個電阻組成，四個壓敏電阻形成了惠斯通電橋結構，當有壓力作用在彈性膜上時，電橋會產生一個與所加壓力成線性比例關系的電壓輸出信號。

③ AD采集單元

為了順利采集氣壓信號，采用ADC集成芯片PCF8591。如圖5所示，PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數據獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I?C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0， A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。

（4）顯示電路

LCD12864顯示電路如圖6所示，LCD12864采用標準的20腳接口，其中VSS為地電源，VDD接5V正電源，V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。D0～D7為8位雙向數據線。PSB為串并行輸出方式，RESET為復位端，低電平有效，VoutLcd驅動電壓輸出端，A K分別為背光源正負端。

（5）按鍵電路

按鍵電路較為簡單，一端接地，一端接單片機IO口。手動開啟是否開始測量肺活量，以及查詢上一次的測試值等等。

二、控制方法

本設計的控制器為STC89C52RC，主要任務是將氣體壓力傳感器中所獲取的壓力值，經過AD轉換以及處理，把用戶的肺活量實時顯示在液晶顯示器上，并進行存儲方便查詢。

三、程序設計流程圖

程序設計流程圖如圖7所示。在程序剛開始時進行相應的初始化，直接循環檢測按鍵的信息，當S1被按下時，判斷是否為第一次進入系統，如果是，那么首先要進行初始氣壓的檢測，這時語音會播報“請等待”，初始氣壓檢測完之后會播報“請開始測量”，這時就可以開始進行肺活量測量，肺活量測量完畢，液晶顯示器上會實時顯示肺活量的數值，并且系統會做出一個判斷，將當前肺活量與科學值作對比，并通過語音播報當前肺活量值是否正常。當按下S2之后，可查看肺活量測量歷史記錄。

四、結語

本項目為基于STC89C52RC單片機的氣體壓力傳感器XGZP6847處理的肺活量測量儀。整體方案采用XGZP6847電路采集電壓信號，具有精度高，外界干擾小的特點。使用LCD12864能夠顯示采集到的相關信息，與傳統的LCD1602相比，可以顯示中文。使用語言模塊OE6590，很好的起到了提示作用。經過長時間的測試，該系統具有良好的穩定性與實用性。

參考文獻

[1]劉瑞新.單片機原理及應用教程[M].北京：機械工業出版社，2003，7

[2]郁有文，常健.傳感器原理及工程應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003

[3]周航慈.單片機程序設計基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[4]白駒珩，雷曉平.單片計算機及應用[M].成都電子科技大學出版社，2003.2

作者簡介

萬宇，女，攀枝花學院，研究方向：電氣信息工程學院電子信息工程專業。

劉文澤，男，學生，攀枝花學院，研究方向：電氣信息工程學院電子信息工程專業。

曹玉東，女，主要從事電類課程的理論及實驗教學工作。endprint