CN105249969A - 一种新型低功耗电子肺活量测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型低功耗电子肺活量测量仪。总体电路包括了电源模块，传感器模块，放大模块，控制模块，显示模块等各个部分。首先使用软管吹气测肺活量，通过MPX2010DP压力差分传感器测量输入端的压强差，以压力大小的形式输出。再使用AD620放大器放大传感器输出信号的大小，输入到单片机MSP430F2012的模数转换端口。通过对肺活量的标定，可以由单片机计算出肺活量的大小，最后传送给四个八段LED数码管输出显示。本发明设计采用新的计算方案，节省了硬件资源，相比较其他产品，具有更低功耗的优点。

Description

一种新型低功耗电子肺活量测量仪

技术领域

本发明涉及一种新型低功耗电子肺活量测量仪，具体是利用压差传感器采集气体的压差值，通过放大电路放大，经过单片机的转换和数据处理，采用一种新的计算方法，得出结果，输入到显示电路中显示结果。

背景技术

现在市场上已经有非常成熟的气体流量传感器，如AWM700系列的传感器。通过单片机的模数端口采集传感器的输出数据，经过一系列的处理，显示在LED数码管上。但是直接测量气体流量的传感器价格太高，并不经济实惠，不适合一般家用或个人测量。

如果不直接测量呼吸流量，可以通过气体压力传感器间接得出最终结果。例如采用压差传感器，它测量的是大气压力与另一端压强的压力差。吹气的流速不同，另一端的压强就不一样，流速越大，压强越小，从而跟大气压的压差越大，示数越大，最终的结果就是流速越大，传感器输出量就越大。输出电压信号经过放大芯片放大到单片机可以处理的范围，经过A/D转换端口再送到单片机，结合气压与流速的关系以及测量时间计算出总的气体流量，最终显示出读数，即肺活量的大小。但是市面上一般的处理芯片资源利用率不高，而且价格偏高，使用范围不广泛。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种便于使用、功耗低、直观、节省资源的肺活量测试计。

技术方案：一种新型低功耗电子肺活量测量仪，包括：吹气软管、压力差分传感器、放大电路、主控部分、显示模块和电源电路，其中压力差分传感器的输入端连接吹气软管，压力差分传感器采集到的信号通过其输出端传输到放大电路的输入端，经手动调试放大倍数后将放大之后的信号输入到主控部分的单片机的模数转换端口，经单片机处理后将数据输入到显示模块显示。电源电路为传感器、放大电路芯片、单片机和显示模块供电。

主控部分采用低功耗的MSP430F2012单片机，完成从P1.5端口输入的数据处理。采用累加求积分的方式计算出肺活量的大小。具体过程如下：

采集到的信号经过放大电路后，信号电压读数p的范围在0-3V之间。把3V电压进行200等分，每个区间是长度是0.015V，所以数组范围定义是[0-0.015]、[0.015-0.030]…[2.985-3.000]。程序首先定义一个200×2的数组cs，这个数组内存储的数据是p经过放大后的取值区间范围，和对应范围内p的开方取值。当需要开方时，取范围的中值开方值。经计算第一组数据最终结果是0，第二组数据结果是0.150……以此类推，最后一组的数据结果是1.729。

读取p的值后，把p与区间值相比较，设区间值的起始数值为min，终止数值为max，min和max是全局变量，默认值为0。若p大于中间值，即第100组数据的区间值mid，则依次向右与区间值的中值比较，把定义的min区间值逐次加一，直至找到差值最小的区间，取数组区间的取值，即为开根号的值。若小于所取的mid值，则把max依次减一，循环运算，直至找到与p值最相近的区间，读取相对应的数组取值，就是p的开方值。

对于积分问题，通过连续采样100次再相加解决，得出最终的sum值。

sum的最终值与要测得的肺活量之间相差一个比例系数x，和积分运算中没有相乘的系数0.1。根据实验结果，为了方便单片机的计算，提高运行速度和效率，最后x的取值为33，从而得出肺活量Q的大小，输出到数码管显示。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：使用更为便宜的单片机，降低了产品成本，节省了硬件资源，实现了低功耗的目标。所采用的算法为累加求积分的全新算法，为求肺活量的大小提供了一个新的思路。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是主控部分结构示意图；

图3是单片机编程流程图；

图4是本发明的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，低功耗电子肺活量测量仪，包括：吹气软管、压力差分传感器MPX2010DP、基于AD620芯片的放大电路部分、MSP430F2012单片机构成的主控部分、显示模块部分和电源电路部分。其中压力差分传感器的输入端连接吹气软管，输出部分信号连接放大电路的输入端，经手动调试放大倍数后将放大之后的信号输入到单片机的模数转换端口，经主控部分处理后将数据输入到显示部分显示。电源部分为传感器、放大芯片、单片机和显示模块供电。

软管有固定管径，与其吹嘴和传感器输入端相吻合；传感器测量大气压与吹气的压差，通过正负两个管脚输出，具有温度补偿和校准的功能；放大电路连接传感器的两个输出端口，可控放大倍数为0-10000倍，输出量接入单片机的模数转换端口。

如图2所示，本发明的主控部分的硬件：左边是用来烧写程序的模块，右边是MSP430F2012单片机模块。单片机模块包括晶振电路，输入部分和输出部分。所述单片机烧写的主控程序采用对输入数据模数转换，采样分组，积分求和的算法，计算得出的结果输入到显示模块中。显示模块包括SM110501红色0.5英寸LED八段共阳极数码管四个、电阻和74LS164芯片，采用静态方式显示。

单片机的1号引脚VCC的引脚接3.3V的电源，14号引脚VSS接地。P1.0端口是单片机的输出端口，把计算得出的肺活量值传送到显示模块的数码管中。P1.1端口是是按照74LS164芯片的要求，通过编程，由单片机产生一个特定的时序，传送给164芯片，用来控制P1.0口的数据传输。P1.5端口完成单片机的数据采集和模数转换功能。MSP430芯片采用的是上电复位，或者在复位模式下RST/NMI脚出现低电平时复位。晶振电路频率是32.768kHz，晶振外接2个22pF的电容经过P2.6端口和P2.7端口连接到单片机上。

如图3所示，主控部分的数据处理流程具体如下：传感器采集到的数据经过放大电路后，读数p的范围在0-3V之间。把3V电压进行200等分，每个区间是长度是0.015V，所以数组范围定义是[0-0.015]、[0.015-0.030]…[2.985-3.000]。程序首先定义一个200×2的数组cs，这个数组内存储的数据是p经过放大后的取值区间范围，和对应范围内p的开方取值。当需要开方时，取范围的中值开方值。经计算第一组数据最终结果是0，第二组数据结果是0.150……以此类推，最后一组的数据结果是1.729。值得一提的是，第一组的开方值并没有使用区间中值的开方值，这是出于减少测量误差考虑。读取p的值后，把p与区间值相比较，设区间值的起始数值为min，终止数值为max，min和max是全局变量，默认值为0。若p大于中间值，即第100组数据的区间值mid，则依次向右与区间值的中值比较，把定义的min区间值逐次加一，直至找到差值最小的区间，取数组区间的取值，即为开根号的值。若小于所取的mid值，则把max依次减一，循环运算，直至找到与p值最相近的区间，读取相对应的数组取值，就是p的开方值。对于积分问题，通过连续采样100次再相加解决。循环求和，直至十秒后读取100个数值相加完毕，得出最终的sum值。sum的最终值与要测得的肺活量之间相差一个比例系数x，和积分运算中没有相乘的系数0.1。根据实验结果，k的取值是331，所以sum需要乘以33.1，为了方便单片机的计算，提高运行速度和效率，最后x的取值为33，从而得出肺活量Q的大小，输出到数码管显示。

如图4所示，是本发明的原理图，包括了电源模块，传感器模块，放大模块，控制模块，显示模块等各个部分。为了使原理图布局美观大方，大部分连线都采用了网络标号，简明清晰。

电源电路包括开关电源和直流线性稳压电源电路。其中，12V的开关电源为单片机和放大芯片供电；直流线性稳压电源为数码管、74LS160芯片供电和MSP430F2012单片机供电。

Claims (3)

1.一种新型低功耗电子肺活量测量仪，其特征在于，包括：吹气软管、压力差分传感器、放大电路、主控部分、显示模块和电源电路，其中压力差分传感器的输入端连接吹气软管，压力差分传感器采集到的信号通过其输出端传输到放大电路的输入端，经手动调试放大倍数后将放大之后的信号输入到主控部分的单片机的模数转换端口，经单片机处理后将数据输入到显示模块显示；

电源电路为传感器、放大电路芯片、单片机和显示模块供电。

2.如权利要求1所述的新型低功耗电子肺活量测量仪，其特征在于，主控部分采用低功耗的MSP430F2012单片机，完成从P1.5端口输入的数据处理；采用累加求积分的方式计算出肺活量的大小；具体过程如下：

采集到的信号经过放大电路后，信号电压读数p的范围在0-3V之间；把3V电压进行200等分，每个区间是长度是0.015V，所以数组范围定义是[0-0.015]、[0.015-0.030]…[2.985-3.000]；程序首先定义一个200×2的数组cs，这个数组内存储的数据是p经过放大后的取值区间范围，和对应范围内p的开方取值；当需要开方时，取范围的中值开方值；

经计算第一组数据最终结果是0，第二组数据结果是0.150……以此类推，最后一组的数据结果是1.729；

读取p的值后，把p与区间值相比较，设区间值的起始数值为min，终止数值为max，min和max是全局变量，默认值为0；若p大于中间值，即第100组数据的区间值mid，则依次向右与区间值的中值比较，把定义的min区间值逐次加一，直至找到差值最小的区间，取数组区间的取值，即为开根号的值；

若小于所取的mid值，则把max依次减一，循环运算，直至找到与p值最相近的区间，读取相对应的数组取值，就是p的开方值；

对于积分问题，通过连续采样100次再相加解决，得出最终的sum值。

3.如权利要求1所述的新型低功耗电子肺活量测量仪，其特征在于，sum的最终值与要测得的肺活量之间相差一个比例系数x，和积分运算中没有相乘的系数0.1，x的取值为33，从而得出肺活量Q的大小，输出到数码管显示。