智能體重檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

費(fèi)佳　章滌峰

摘要：體重是人們最基本、最簡(jiǎn)單的健康指數(shù)，尤其對(duì)于兒童和青少年來(lái)說(shuō)，體重指標(biāo)可以顯示他們的發(fā)育成長(zhǎng)狀態(tài)，通過(guò)體重檢測(cè)可以減少或者盡早發(fā)現(xiàn)他們體重異常的并發(fā)癥。傳統(tǒng)的體重測(cè)量?jī)x在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、體重異常提醒等方面存在著不足，本文根據(jù)體重測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)和需求，對(duì)傳統(tǒng)體重測(cè)量?jī)x進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，以單片機(jī)為核心構(gòu)建稱重電路、顯示電路、按鍵電路、揚(yáng)聲器電路等，通過(guò)計(jì)算BMI身高體重指數(shù)判定測(cè)試者體重處于何種狀態(tài)，并語(yǔ)音播報(bào)提醒被測(cè)者，藉此幫助測(cè)量者注意控制體重的變化。

關(guān)鍵詞：體重測(cè)量；健康標(biāo)準(zhǔn)；單片機(jī)；壓力傳感器；BMI指數(shù)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）03-0248-02

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們的營(yíng)養(yǎng)條件得到極大程度的改善，尤其對(duì)于青少年群體，他們生活方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，如青少年體育鍛煉、戶外活動(dòng)、家務(wù)勞動(dòng)等運(yùn)動(dòng)時(shí)間越來(lái)越少，而看電視、做作業(yè)、玩游戲等靜態(tài)生活的時(shí)間卻在不斷增加，導(dǎo)致機(jī)體能量攝入與能量消耗不平衡，造成我國(guó)青少年超重和肥胖流行狀況日趨嚴(yán)重，根據(jù)上海、北京、杭州市、吉安等調(diào)查結(jié)果表明，我國(guó)少年兒童體重狀況很不理想，肥胖的發(fā)生率較高，肥胖兒童的體質(zhì)狀況相對(duì)較差，已經(jīng)成為影響我國(guó)青少年身心健康的重要問(wèn)題。肥胖具有嚴(yán)重的健康后果，如容易導(dǎo)致兒童在很小的年齡就出現(xiàn)2型糖尿病與心血管問(wèn)題，如高血壓、高血脂以及動(dòng)脈硬化的早期跡象等，極大影響他們的健康。多數(shù)專家建議，應(yīng)先引導(dǎo)“重度肥胖”兒童逐漸養(yǎng)成健康的生活方式，然后才考慮藥物治療，最后必要時(shí)再進(jìn)行手術(shù)。同時(shí)，調(diào)查結(jié)果還表明，我國(guó)自我測(cè)量體重、關(guān)注體重、掌握實(shí)際體重的比例還不高， 對(duì)于體重認(rèn)知都存在錯(cuò)誤，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)人群健康教育和健康促進(jìn)，大力倡導(dǎo)和支持人人自測(cè)體重、知曉體重及維持健康體重。

質(zhì)量是一個(gè)生活中常用到的物理量，在正常大氣壓下，人的體重測(cè)量即被看作質(zhì)量測(cè)量，老式的體重測(cè)量?jī)x器甚至包括常規(guī)的質(zhì)量測(cè)量?jī)x器一般采用機(jī)械彈簧式的方法，機(jī)械彈簧式的稱重儀在精度和耐久性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求。老式稱重儀有兩大無(wú)法避免的問(wèn)題，一是機(jī)械彈簧式的稱重儀設(shè)計(jì)原理依靠彈簧的材料屬性，隨著時(shí)間推移會(huì)因?yàn)閺椈刹牧系睦匣蛘吣p使得數(shù)據(jù)不夠精確；二是老式稱重儀一般使用圖形表盤(pán)來(lái)表征測(cè)量出來(lái)的數(shù)值，這種表達(dá)形式可能因?yàn)橐曈X(jué)角度，光線強(qiáng)弱影響人們數(shù)值讀取的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)代生活要求更高精確度和穩(wěn)定性更高的測(cè)量?jī)x器，基于此，設(shè)計(jì)的電子體重監(jiān)測(cè)儀既克服傳統(tǒng)稱重儀的不足，又能檢測(cè)體重的變化并判定是否合乎正常標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)以單片機(jī)為核心，外接高靈敏度的壓力傳感器并且通過(guò)A/D將測(cè)得數(shù)值直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示在顯示屏上面直接讀數(shù)，滿足精確度高和穩(wěn)定性好的兩大要求；并通過(guò)BMI身高體重指數(shù)公式計(jì)算出測(cè)試者體重處于何種狀態(tài)，并語(yǔ)音通報(bào)以便及時(shí)提醒被測(cè)者注意。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

為了改進(jìn)老式稱重儀精確度不高和耐用性低的缺點(diǎn)，確定測(cè)量精確度要求[±]0.1kg，清除數(shù)值讀取視覺(jué)誤差；穩(wěn)定性高，稱量更寬不受外界影響；根據(jù)BMI算法得出測(cè)試者的體重狀況并能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)。依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖如圖2所示，由5個(gè)部分組成：控制器部分、測(cè)量部分、報(bào)警部分、數(shù)據(jù)顯示部分、鍵盤(pán)輸入部分。通過(guò)壓力傳感器采集到被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后通過(guò)放大電路把輸出的很小電壓信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的線性放大，放大后的模擬電壓信號(hào)再經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并被送入主控電路的單片機(jī)中，單片機(jī)使用BMI算法計(jì)算得出BMI值，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制顯示器顯示出使用者的重量和BMI值，同時(shí)單片機(jī)根據(jù)BMI值控制揚(yáng)聲器輸出相應(yīng)的告警信息。

2.2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的構(gòu)成主要有以下幾部分：AT89S52的最小系統(tǒng)構(gòu)成、 鍵盤(pán)輸入、數(shù)據(jù)采集、顯示電路、語(yǔ)音播報(bào)電路等。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器和A/D轉(zhuǎn)換部分構(gòu)成。用A/D模塊采樣傳感器串聯(lián)電阻兩端的電壓，用單片機(jī)計(jì)算并驅(qū)動(dòng)顯示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計(jì)的難易程度和設(shè)計(jì)性價(jià)比及秤的最大稱量值、選用傳感器的個(gè)數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)生的最大偏載及動(dòng)載等因素，確定傳感器的額定載荷為150Kg，允許超載為150%，精度為0.05%，最大量程時(shí)誤差[CS]0.1kg。

A/D轉(zhuǎn)換器選用的是ADC0832，是一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。正常情況下ADC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是[CS]、[CLK]、[D0]、[D1]。作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是0-5V且8位分辨率時(shí)的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。具體如圖2所示。

通常傳感器輸出的電信號(hào)是微弱的，不能夠滿足后續(xù)的轉(zhuǎn)換要求，必須對(duì)它進(jìn)行放大。稱重傳感器輸出電壓振幅范圍0～20mV，而單片機(jī)輸入電壓要求在0～5V，為了使單片機(jī)能更好地處理采集信號(hào)，增益設(shè)為200倍，零點(diǎn)和增益的溫度漂移和時(shí)間漂移極小。運(yùn)放器選用的是OP07，OP07芯

片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低和開(kāi)環(huán)增益高的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。

2.2.2 單片機(jī)的選擇

設(shè)計(jì)中選用AT89S52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash儲(chǔ)存器。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路[4]。

2.2.3顯示電路與AT89S52單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

顯示電路采用LM 016L液晶模塊，由HD44780控制器控制。HD44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)、閃爍等功能。LM016L與單片機(jī)MCU通訊可采用8位或者4位并行傳輸兩種方式。H D44780控制器由兩個(gè)8位寄存器、指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標(biāo)志（BF）、顯示數(shù)據(jù)RAM、字符發(fā)生器ROM（DDRA M）、字符發(fā)生器RAM （CGRAM）、地址計(jì)數(shù)器（AC）組成。

2.2.4語(yǔ)音告警模塊

為了讓使用者直觀地了解到自身所處的狀態(tài)，加入了語(yǔ)音提示功能，結(jié)合BMI算法，可以讓使用者清晰、直觀地了解到自身的狀態(tài)。選擇的ISD4000系列的語(yǔ)音芯片，采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，將每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)的快閃存儲(chǔ)器中，能夠非常真實(shí)地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲。該電路具有操作簡(jiǎn)單、接口方便、錄音時(shí)間長(zhǎng)、可任意分段錄放、不怕斷電及低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)。操作命令通過(guò)串行通信接口（SPI或Microware）送入，并LM386音頻集成功放芯片作為功放電路放大語(yǔ)音播報(bào)。ISD4003與LM386芯片的鏈接的硬件圖3所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)硬件連接后，即可進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，具體的流程圖如圖4所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后通過(guò)鍵盤(pán)手

動(dòng)輸入被測(cè)者的姓名、身高等基本數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行體重測(cè)量并計(jì)算其BMI值，按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)判定其體重狀態(tài)，之后

通過(guò)顯示模塊顯示體重及狀態(tài)結(jié)果并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)其結(jié)果。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

應(yīng)用設(shè)計(jì)的智能體重檢測(cè)儀對(duì)50位同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，皆可完成體重測(cè)量和語(yǔ)音播報(bào)，與應(yīng)用其他測(cè)量工具測(cè)得的結(jié)果對(duì)比分析可知，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，BMI值計(jì)算正確，播報(bào)提示可靠。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的體重檢測(cè)裝置由單片機(jī)控制，可以克服機(jī)械式稱重儀的弊端，同時(shí)具有BMI值計(jì)算和體重狀態(tài)判定與播報(bào)功能，即通過(guò)單片機(jī)分析處理，進(jìn)行體重和狀態(tài)顯示及通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果播報(bào)，以便讓被測(cè)者準(zhǔn)確知曉直接的體重狀態(tài)，并提醒其根據(jù)現(xiàn)有狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)的處置。以單片機(jī)為核心的體重檢測(cè)裝置性能穩(wěn)定，成本低廉，功耗低，發(fā)生故障的概率極低，而且復(fù)位簡(jiǎn)單，按鍵復(fù)位即可，也可進(jìn)行手動(dòng)輸入。

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