基于单片机的肺活量测量仪的设计

万宇++曹玉东++刘文泽

摘 要：以智能、便捷为核心，以STC89C52RC的芯片作为主控芯片，使用传感器XGZP6847测量一定时间内的气体流量，通过一定算法计算肺活量的测量值，并通过12864LCD以及语言播报模块OE6590处理相关信息。

关键词：单片机 气体压力传感器 语音播报

随着社会经济的繁荣，周休二日的实施，人们的生活方式有了重大的改变。加上人口日趋高龄化，随之而起的健康养生意识逐渐受到大家重视。运动成为生活的一部份，因此『终身运动』成为全民所关心的重大议题。终身运动的提出必然带动体质测量仪的发展。肺活量测量仪是体质测量仪中的一部分，当然也不例外。目前，学校里体检项目中的肺活量测量，基本上采用排水法实现，该仪器体积大，测量不精确，而本文以XGZP6847传感器作为实现肺活量测量的核心，不但体积小，便于携带，而且测量精确，使用方便。

一、系统设计

本设计由STC89C52RC为核心电路进行系统的整体控制，由电源电路、独立按键电路、显示电路、A/D转换电路、压力传感器电路、串口电路及语音模块电路组成、系统设计总体图如图1所示。通过气体压力传感器XGZP6847测量一定时间内的气体流量，气压传感器置于已知截面积的细管中，结合气压与流速的关系以及测量时间得出总的气体流量。再经由液晶显示以及语音模块进行语音播报。并且通过MAX232与上位机进行通信。

（1）单片机最小系统

单片机最小系统由单片机、晶振电路、复位电路、按键电路、下载电路组成。晶振电路为单片机工作提供时钟信号；复位电路用于对单片机进行复位；按键电路的作用是控制肺活量测试的开关以及查询的功能；下载电路采用串口下载方式，通过单片机P3.0、P3.1口、利用CH340进行下载与调试，单片机最小系统电路如图2所示。

（2）语音电路

OE6590语音（MP3）模块是一款高性能语音模块，模块支持MP3、WAV解码，支持FLASH/TF卡/U盘三种存储方式。插电脑USB可以直接更新FLASH与TF卡的内容，支持FAT16、FAT32文件系统。通过简易串口指令即可完成播放指定的音乐，以及控制音量大小等功能。模块的控制方式分四种： UART串口控制（功能最齐全），ADC按键控制（MP3功能控制），一对一5按键控制（一对一音频控制），红外遥控器控制（根据遥控器功能控制）。模块带3W功放，可直接推动4欧3-20W的喇叭。OE6590主要面向中高端语音产品应用领域，该产品声音效果非常出色，就是一个功能强大的MP3播放器。语音模块电路图如图3所示

（3）肺活量采集电路

设计的肺活量采集模块由气体压力传感器XGZP6847、AD采集单元、液晶显示单元和ISP下载单元等构成。

①单片机单元

单片机是整个系统的控制核心，本文选用STC89C52RC，测量时，单片机主要接收和处理AD采集的数据，将数据进行处理之后，显示在液晶显示器上。

②气体压力传感器单元

气体压力传感器XGZP6847，如图4所示，采用XGZP 型压阻式压力敏感元件，是一款适用于生物医学、汽车电子等领域的压力传感器，其核心部分是一颗利用MEMS 技术加工的硅压阻式压力敏感芯片。该压力敏感芯片由一个弹性膜及集成在膜上的四个电阻组成，四个压敏电阻形成了惠斯通电桥结构，当有压力作用在弹性膜上时，电桥会产生一个与所加压力成线性比例关系的电压输出信号。

③ AD采集单元

为了顺利采集气压信号，采用ADC集成芯片PCF8591。如图5所示，PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I?C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0， A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

（4）显示电路

LCD12864显示电路如图6所示，LCD12864采用标准的20脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0～D7为8位雙向数据线。PSB为串并行输出方式，RESET为复位端，低电平有效，VoutLcd驱动电压输出端，A K分别为背光源正负端。

（5）按键电路

按键电路较为简单，一端接地，一端接单片机IO口。手动开启是否开始测量肺活量，以及查询上一次的测试值等等。

二、控制方法

本设计的控制器为STC89C52RC，主要任务是将气体压力传感器中所获取的压力值，经过AD转换以及处理，把用户的肺活量实时显示在液晶显示器上，并进行存储方便查询。

三、程序设计流程图

程序设计流程图如图7所示。在程序刚开始时进行相应的初始化，直接循环检测按键的信息，当S1被按下时，判断是否为第一次进入系统，如果是，那么首先要进行初始气压的检测，这时语音会播报“请等待”，初始气压检测完之后会播报“请开始测量”，这时就可以开始进行肺活量测量，肺活量测量完毕，液晶显示器上会实时显示肺活量的数值，并且系统会做出一个判断，将当前肺活量与科学值作对比，并通过语音播报当前肺活量值是否正常。当按下S2之后，可查看肺活量测量历史记录。

四、结语

本项目为基于STC89C52RC单片机的气体压力传感器XGZP6847处理的肺活量测量仪。整体方案采用XGZP6847电路采集电压信号，具有精度高，外界干扰小的特点。使用LCD12864能够显示采集到的相关信息，与传统的LCD1602相比，可以显示中文。使用语言模块OE6590，很好的起到了提示作用。经过长时间的测试，该系统具有良好的稳定性与实用性。

参考文献

[1]刘瑞新.单片机原理及应用教程[M].北京：机械工业出版社，2003，7

[2]郁有文，常健.传感器原理及工程应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003

[3]周航慈.单片机程序设计基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[4]白驹珩，雷晓平.单片计算机及应用[M].成都电子科技大学出版社，2003.2

作者简介

万宇，女，攀枝花学院，研究方向：电气信息工程学院电子信息工程专业。

刘文泽，男，学生，攀枝花学院，研究方向：电气信息工程学院电子信息工程专业。

曹玉东，女，主要从事电类课程的理论及实验教学工作。endprint