智能體重檢測儀設計與實現

費佳　章滌峰

摘要：體重是人們最基本、最簡單的健康指數，尤其對于兒童和青少年來說，體重指標可以顯示他們的發育成長狀態，通過體重檢測可以減少或者盡早發現他們體重異常的并發癥。傳統的體重測量儀在數據存儲、數據分析、體重異常提醒等方面存在著不足，本文根據體重測試的標準和需求，對傳統體重測量儀進行了改進設計，以單片機為核心構建稱重電路、顯示電路、按鍵電路、揚聲器電路等，通過計算BMI身高體重指數判定測試者體重處于何種狀態，并語音播報提醒被測者，藉此幫助測量者注意控制體重的變化。

關鍵詞：體重測量；健康標準；單片機；壓力傳感器；BMI指數

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0248-02

1 概述

隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，人們的營養條件得到極大程度的改善，尤其對于青少年群體，他們生活方式發生了轉變，如青少年體育鍛煉、戶外活動、家務勞動等運動時間越來越少，而看電視、做作業、玩游戲等靜態生活的時間卻在不斷增加，導致機體能量攝入與能量消耗不平衡，造成我國青少年超重和肥胖流行狀況日趨嚴重，根據上海、北京、杭州市、吉安等調查結果表明，我國少年兒童體重狀況很不理想，肥胖的發生率較高，肥胖兒童的體質狀況相對較差，已經成為影響我國青少年身心健康的重要問題。肥胖具有嚴重的健康后果，如容易導致兒童在很小的年齡就出現2型糖尿病與心血管問題，如高血壓、高血脂以及動脈硬化的早期跡象等，極大影響他們的健康。多數專家建議，應先引導“重度肥胖”兒童逐漸養成健康的生活方式，然后才考慮藥物治療，最后必要時再進行手術。同時，調查結果還表明，我國自我測量體重、關注體重、掌握實際體重的比例還不高， 對于體重認知都存在錯誤，有必要進一步加強人群健康教育和健康促進，大力倡導和支持人人自測體重、知曉體重及維持健康體重。

質量是一個生活中常用到的物理量，在正常大氣壓下，人的體重測量即被看作質量測量，老式的體重測量儀器甚至包括常規的質量測量儀器一般采用機械彈簧式的方法，機械彈簧式的稱重儀在精度和耐久性上遠遠不能滿足現代社會的需求。老式稱重儀有兩大無法避免的問題，一是機械彈簧式的稱重儀設計原理依靠彈簧的材料屬性，隨著時間推移會因為彈簧材料的老化或者磨損使得數據不夠精確；二是老式稱重儀一般使用圖形表盤來表征測量出來的數值，這種表達形式可能因為視覺角度，光線強弱影響人們數值讀取的準確性。

現代生活要求更高精確度和穩定性更高的測量儀器，基于此，設計的電子體重監測儀既克服傳統稱重儀的不足，又能檢測體重的變化并判定是否合乎正常標準。通過以單片機為核心，外接高靈敏度的壓力傳感器并且通過A/D將測得數值直接轉換成數字顯示在顯示屏上面直接讀數，滿足精確度高和穩定性好的兩大要求；并通過BMI身高體重指數公式計算出測試者體重處于何種狀態，并語音通報以便及時提醒被測者注意。

2 裝置設計

2.1 總體設計

為了改進老式稱重儀精確度不高和耐用性低的缺點，確定測量精確度要求[±]0.1kg，清除數值讀取視覺誤差；穩定性高，稱量更寬不受外界影響；根據BMI算法得出測試者的體重狀況并能夠實現語音播報。依據設計目標，系統設計總體方案框圖如圖2所示，由5個部分組成：控制器部分、測量部分、報警部分、數據顯示部分、鍵盤輸入部分。通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉換成電壓信號，然后通過放大電路把輸出的很小電壓信號進行準確的線性放大，放大后的模擬電壓信號再經 A/D轉換電路轉換成數字量，并被送入主控電路的單片機中，單片機使用BMI算法計算得出BMI值，再經過單片機控制顯示器顯示出使用者的重量和BMI值，同時單片機根據BMI值控制揚聲器輸出相應的告警信息。

2.2 系統的硬件電路設計

硬件電路的構成主要有以下幾部分：AT89S52的最小系統構成、 鍵盤輸入、數據采集、顯示電路、語音播報電路等。

2.2.1 數據采集部分

數據采集部分由壓力傳感器和A/D轉換部分構成。用A/D模塊采樣傳感器串聯電阻兩端的電壓，用單片機計算并驅動顯示。根據設計要求，并考慮到與其相配置的各種電路的設計的難易程度和設計性價比及秤的最大稱量值、選用傳感器的個數、秤體的自重、可能產生的最大偏載及動載等因素，確定傳感器的額定載荷為150Kg，允許超載為150%，精度為0.05%，最大量程時誤差[CS]0.1kg。

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

通常傳感器輸出的電信號是微弱的，不能夠滿足后續的轉換要求，必須對它進行放大。稱重傳感器輸出電壓振幅范圍0～20mV，而單片機輸入電壓要求在0～5V，為了使單片機能更好地處理采集信號，增益設為200倍，零點和增益的溫度漂移和時間漂移極小。運放器選用的是OP07，OP07芯

片是一種低噪聲，非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓，所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。

2.2.2 單片機的選擇

設計中選用AT89S52單片機，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統可編程Flash儲存器。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM， 32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路[4]。

2.2.3顯示電路與AT89S52單片機接口電路設計

顯示電路采用LM 016L液晶模塊，由HD44780控制器控制。HD44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現字符移動、閃爍等功能。LM016L與單片機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8位寄存器、指令寄存器（IR）和數據寄存器（DR）、忙標志（BF）、顯示數據RAM、字符發生器ROM（DDRA M）、字符發生器RAM （CGRAM）、地址計數器（AC）組成。

2.2.4語音告警模塊

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

2.3 系統軟件設計

系統經過硬件連接后，即可進行軟件實現，具體的流程圖如圖4所示。首先進行系統初始化，然后通過鍵盤手

動輸入被測者的姓名、身高等基本數據，進而進行體重測量并計算其BMI值，按照中國標準判定其體重狀態，之后

通過顯示模塊顯示體重及狀態結果并通過語音播報模塊播報其結果。

3實驗結果與分析

應用設計的智能體重檢測儀對50位同學進行實驗，皆可完成體重測量和語音播報，與應用其他測量工具測得的結果對比分析可知，測量結果準確，BMI值計算正確，播報提示可靠。

4 結論

設計的體重檢測裝置由單片機控制，可以克服機械式稱重儀的弊端，同時具有BMI值計算和體重狀態判定與播報功能，即通過單片機分析處理，進行體重和狀態顯示及通過語音進行現場檢測結果播報，以便讓被測者準確知曉直接的體重狀態，并提醒其根據現有狀態進行響應的處置。以單片機為核心的體重檢測裝置性能穩定，成本低廉，功耗低，發生故障的概率極低，而且復位簡單，按鍵復位即可，也可進行手動輸入。

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