MSP430?MCU又一新玩法，解鎖簡易肺活量測試儀

以下是余昊分享的基于 MSP430FR6043 評估模塊實現的肺活量測試項目，先來看下項目的展示：

這套評估板采用的是時差法超聲波氣體流速測量的方法，通過測量兩個超聲波傳感器去程和回程的時間差，計算出管道內氣體的流速。

看到這個裝置我就想到高中時期做的一道物理試題，不能說十分相似，只能說一模一樣。各位有興趣可以嘗試做一下這道題。

題選自第 27 屆全國中學生物理競賽預賽試卷

這種流速測量方法沒有活動的機械部件，可以很大程度上延長傳感器的壽命，并且靈敏度和精度都很高，被測氣體通過傳感器的壓力損失也很小，很適合用在天然氣輸送等領域。

我們知道學校的體測包含肺活量測試這個項目，在平時我們很難知道自己的肺活量水平，因此我打算用這個評估板來做一臺簡易的肺活量計。

系統的硬件搭建很簡單，先把兩個超聲波傳感器焊接在評估板上。超聲波氣體流量傳感器對噪聲比較敏感，不能使用杜邦線等非屏蔽線材連接開發板和超聲波換能器，最好將換能器直接焊接在板卡上，別問我是怎么知道的。在測量時我們也需要盡可能保證傳感器管道內的氣流盡可能均勻，避免多徑效應和湍流對測量結果造成影響。

接下來我們只需要再準備一個礦泉水瓶，一塊海綿和一把熱熔膠槍，我們先用熱熔膠槍把剪下來的瓶口粘在傳感器的一端，再向瓶口的位置放一些海綿或者棉花，這樣可以使通過傳感器的氣流更均勻，有利于提高測量精度。

接著我們可以在 TI 官網上下載套件的用戶指南、上位機和示例代碼。安裝好上位機，我們在上位機程序中可以配置傳感器的一些參數。

可以用示波器觀察傳感器的收發信號，示波器的通道 1 連接在任意一個超聲波換能器上，通道 2 連接在這個排針上觀察接收的信號。可以看到，在信號發射后的一段時間內，另一個傳感器接收到超聲信號。計算兩個信號的時間間隔，就可以測量出超聲波的飛行時間。

在上位機軟件中，我們可以使用 ADC Capture 功能觀察 ADC 采集的信號波形；

也可以觀察板卡到測量的飛行時間、飛行時間差、以及氣體的流速。

向傳感器輕輕呼一口氣，可以看到上位機上的波形發生了相應的變化，這就說明傳感器調試成功了，可以進行相應的測量。

我在官方提供的實例代碼的基礎上進行修改，編寫了一個簡易的測量肺活量的函數，使用 start_flag 變量表示測試的三個過程：等待測量、正在測量和測量結束。

測量結束后按下任意一個按鍵就可以將測量結果清零并等待下一次開始測量。

這樣一臺簡易的肺活量測試儀就完成了，關于作品的演示可以觀看演示視頻。

將開發套件測得的時間差轉換為肺活量的體積，有以下兩個方法可用。

其一：

簡單總結一下這套套件的一些優點和注意事項。

優點

• 靈敏度很高，非常微弱的氣流都能探測到。

• 沒有可活動的機械部件，使用壽命應該會比機械式的長許多。

• 傳感器對被測氣體的壓力影響很小。

注意事項

• 傳感器容易受噪聲影響，導致測量失敗或結果出錯，應做好傳感器引線的信號屏蔽。

• 通過傳感器的氣流應盡可能保證均勻、盡可能減少湍流。

• 在設計算法時候需要考慮測量出錯或測量失敗的情況，舍棄或者修正測量不正確的結果。

• 可以適當提升超聲波的發射功率，提高信噪比。