MSP430™MCU又一新玩法，解锁简易肺活量测试仪

以下是余昊分享的基于 MSP430FR6043 评估模块实现的肺活量测试项目，先来看下项目的展示：

这套评估板采用的是时差法超声波气体流速测量的方法，通过测量两个超声波传感器去程和回程的时间差，计算出管道内气体的流速。

看到这个装置我就想到高中时期做的一道物理试题，不能说十分相似，只能说一模一样。各位有兴趣可以尝试做一下这道题。

题选自第 27 届全国中学生物理竞赛预赛试卷

这种流速测量方法没有活动的机械部件，可以很大程度上延长传感器的寿命，并且灵敏度和精度都很高，被测气体通过传感器的压力损失也很小，很适合用在天然气输送等领域。

我们知道学校的体测包含肺活量测试这个项目，在平时我们很难知道自己的肺活量水平，因此我打算用这个评估板来做一台简易的肺活量计。

系统的硬件搭建很简单，先把两个超声波传感器焊接在评估板上。超声波气体流量传感器对噪声比较敏感，不能使用杜邦线等非屏蔽线材连接开发板和超声波换能器，最好将换能器直接焊接在板卡上，别问我是怎么知道的。在测量时我们也需要尽可能保证传感器管道内的气流尽可能均匀，避免多径效应和湍流对测量结果造成影响。

接下来我们只需要再准备一个矿泉水瓶，一块海绵和一把热熔胶枪，我们先用热熔胶枪把剪下来的瓶口粘在传感器的一端，再向瓶口的位置放一些海绵或者棉花，这样可以使通过传感器的气流更均匀，有利于提高测量精度。

接着我们可以在 TI 官网上下载套件的用户指南、上位机和示例代码。安装好上位机，我们在上位机程序中可以配置传感器的一些参数。

可以用示波器观察传感器的收发信号，示波器的通道 1 连接在任意一个超声波换能器上，通道 2 连接在这个排针上观察接收的信号。可以看到，在信号发射后的一段时间内，另一个传感器接收到超声信号。计算两个信号的时间间隔，就可以测量出超声波的飞行时间。

在上位机软件中，我们可以使用 ADC Capture 功能观察 ADC 采集的信号波形；

也可以观察板卡到测量的飞行时间、飞行时间差、以及气体的流速。

向传感器轻轻呼一口气，可以看到上位机上的波形发生了相应的变化，这就说明传感器调试成功了，可以进行相应的测量。

我在官方提供的实例代码的基础上进行修改，编写了一个简易的测量肺活量的函数，使用 start_flag 变量表示测试的三个过程：等待测量、正在测量和测量结束。

测量结束后按下任意一个按键就可以将测量结果清零并等待下一次开始测量。

这样一台简易的肺活量测试仪就完成了，关于作品的演示可以观看演示视频。

将开发套件测得的时间差转换为肺活量的体积，有以下两个方法可用。

其一：

简单总结一下这套套件的一些优点和注意事项。

优点

• 灵敏度很高，非常微弱的气流都能探测到。

• 没有可活动的机械部件，使用寿命应该会比机械式的长许多。

• 传感器对被测气体的压力影响很小。

注意事项

• 传感器容易受噪声影响，导致测量失败或结果出错，应做好传感器引线的信号屏蔽。

• 通过传感器的气流应尽可能保证均匀、尽可能减少湍流。

• 在设计算法时候需要考虑测量出错或测量失败的情况，舍弃或者修正测量不正确的结果。

• 可以适当提升超声波的发射功率，提高信噪比。