智能体重仪设计方案

1 智能体重仪设计方案 一背景 电子体重秤是一种智能型体重测量仪器，与传统指针式体重计相比，具有测量精度高、可锁定显示、读数方便等优点。其主要应用于体质健康测试中人体体重数据的测量，面向体育、医卫、劳动、学校等单位开展全民健身活动使用，是学生体质健康测试必备仪器之一。 现在市场上大部分电子体重秤主要有以下几种，一种是功能仅限于称体重并且显示体重读数的电子体重秤，另一种不仅能测量体重还能测量身体的脂肪率、肌肉率、内脏脂肪、基础代谢、水分率、蛋白质、骨量、 身体数据。大部分后一种电子体重秤还能将测得的数据无 线传输到手机中，然后利用 行数据分析并给出直观的各项身体数据变化趋势图。 而经过讨论，我们本次准备设计一个和后一种类似的可检测身体健康状况的智能体重仪，功能基本和市场上已有的电子体重秤类似。 二总体目标 当被测者站在智能体重仪上时，体重仪显示屏显示被测者的当前体重和身高，同时体重仪还能精准测量身体体质数据，再将这些测得的数据无线传输到手机 ，被测者在使用 先将年龄、性别、腰围、胸围、臀围、腿围等个人信息输入进去， 合这些数据分析被测者的健康状况，并且显示健康状况趋势分析图表，并且 给出被测者合理的健康管理建议。 2 三功能、技术参数的制定与分析 当被测者站在体重仪上，其重量传递到称重传感器上，传感器产生相应的电信号，此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由 A/D 转换器转换成数字信号送到单片机中，单片机根据程序进行运算，运算结果送到显示器显示出来。 当被测者头顶上方顶着挡板站在体重仪上，体重仪上的测距传感器能测出被测者相应的身高，单片机再通过显示屏将身高数据显示出来。 通过 物电阻抗法分析被测者的体质，可以测出人体相应的阻抗， 根据测出的阻抗可以算出脂肪率、肌肉率、内脏脂肪、基础代谢、水分率、蛋白质、骨量、 体质数据。 以统计学为工具，通过研究人体相应部位的不同频率的阻抗值与一些人体成分参数的相关性，结合人体体重、年龄、性别等基本参数，建立相应阻抗与相应人体成分的经验公式，并通过已知人体成分推算未知人体成分。主要通过给电极施加安全电流作用在人体上，然后又通过电极检测人体相应部位的电压，经过数据采集、计算得到人体相应阻抗值，然后传给上位机完成人体成分计算。（全身体脂数据的测量准确的条件应当是令实验电流尽可能的通过人体的 最大路径，因为电流走短不走长，所以测量体脂时，电极应分别位于手和脚。） 具体的阻抗与人体成分之间的计算公式如下： 身体水分总量 高（ 身高 /阻抗（欧姆） +重（ 龄 体脂肪 元线性逐步回归和方差分析方法 重（ 高 *身高（ 阻抗（欧姆） 别（男 1 女 0）3 身高质量指数 重 /（身高 *身高（米） 理想体重： 22*身高（米） *身高（米）或身高 （ 105 脂肪含量：（ （ 龄） -（ 别） 值范围 4%性别数值：男性为 1，女性为 0 体重仪获取的体重等身体数据通过蓝牙或 线模块传送到手机 。 当被测者站上体重仪时，体重仪检测到振动信号，立即触发体重仪自动开机，并且进入称重模式。 当被测者离开体重仪时，单片机检测到体重为零时，体重仪自动进入关机状态，且对体重仪进行自动校零。 据分析功能 体重仪检测到的身体各项数 据无线传输到手机 之后， 这些数据进行分析，并且与之前测得的身体数据进行比较，得出被测者的各项身体数据变化趋势图表，并且对被测者给出合理的健康管理建议。 分度值 量程： 10度值： 4 四总体控制系统方案设计 当被测者站在体重仪上时，其重量传递到称重传感器上，传感器产生相应的电信号，此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由 A/D 转换器转换成数字信号送到单片机中，单片机根据程序进行运算，运算结果送到显示器显示出来；同时利用测距模块测量被测者身高，并通过体重仪上的 显示屏显示出来并将身高数据无线传输至手机 ；人体阻抗测量电路通过电极施加安全电流作用在人体上，然后又通过电极检测人体相应部位的电压，经过数据采集、计算得到人体相应阻抗值，然后无线传输给 成人体成分计算；所有体质分析仪获取的身高、体重、脂肪率、肌肉率等身体数据通过蓝牙或 线模块传送到手机 。 控制系统总体框图如下图 1 所示。 图 1 控制系统总体框图 5 五关键部件的选型设计 根据上述控制系统设计方案，智能体重仪将主要由以下关键部件构成，包括称重模块， 换模块，测距模块， 无线通信模块，显示模块，人体阻抗测量电路，主控制器及电源模块。 （ 1）选型比较 体重传感器就是把非电量的人体体重转换成电量的转换元件。称重传感器按照结构型式不同位移传感器和应变传感器。综合价格、性能、要求等条件，设计采用 4 片 重传感器。 用简单方便，价格便宜而且性能稳定，单片传感器的测量量程为 504 片分力量程可以达到 200足设计要求。 图 2 人体称重传感器 6 图 3 传 感器结构 图 4 受力分析 两端受到一对大小相等的剪切力，由对称性可知，构件以中心点为平衡点产生形变。应变片会产生相应的应变，转化成电阻变化。 称重传感器的技术参数如下表： 表 1 称重传感器技术参数 应用 子秤 型号 程 0 输 出灵敏度 输入阻抗 201000 输出阻抗 201000 推荐激励电 压 V 5V 工作温度范围 6520 传感器材料 金钢 线方式 of 、黑、白 7 满量程输出电压 =激励电压 *灵敏度，设 计中激励电压为 5V，传感器的灵敏度为 ,所以满量程输出电压为： 。 对于传感器的连接方式，设计中采用 4 个传感器， 4 个传感器组成全桥测量，量程为 4 只传感器的量程之和： 00450 。全桥测量电路如图所示 : 图 5 全桥测量电路及其接线图 8 转换模块 （ 1）选型比较 一款专为高精度称重传感器而设计的 24 位 A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟 振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端 片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 A 或通道 B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道 A 的可编程增益为 128 或 64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为20 40道 B 则为固定的 32 增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的 A/D 转换器提供电源，系 统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。 块引脚图如下图所示： 图 6 块引脚图 9 表 2 块引脚含义 块的特点： 两路可选择差分输入 片内低噪声可编程放大器，可选增益为 64 和 128 片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内 A/D 转换器提供电源 片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟 上电自动复位电路 简单的数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无 需编程 可选择 10 80输出数据速率 同步抑制 50 60电源干扰 耗电量（含稳压电源电路）：典型工作电流： OK 设备名 查询本地设备名 +当前设备名 设置默认配对码 1234” 234 为默认配对码 查询配对码 +设置波特率 15200 特率设置为115200 19 查询波特率 +（ 1）选型比较 数据显示是体质仪的一项重要功能，是人机交换的重要组成部分，它可以将测量电路测得的体重和身高数据经过微处理器处理后直观的显示出来。数据显示部分可以有以下两种方案可供选择：一是 码管显示，二是晶显示。 本方案选择 4 位 码管显示模块，理由如下： 码管一般只适合数字显示，本设计中由于体重和身高都是数字形式的数据，因此选择码管合适；且身高、体重一般在 3 位数，考虑到后期设计的精度问题，因此选择 4 位； 码管相对于 晶显示亮度高，成本低，程序、电路简单。 码管模块实物图如下图所示： 图 13 数码管实物图 20 4 位 码管相关参数如下： 片 595 驱动数码管，需要单片机 3 路 ，根据数码管动态扫描原理进行显示； 5V； 尺寸： 712 位共阳 （ 2）功能实现 码管是由多个发光二极管封装在一起组成“ 8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。 码管常用段数一般为 7 段有的另加一个小数点。图 14 这是一个 7 段两位带小数点 10 引脚的 一笔划都是对应一个字母表示 小数点。 图 14 数码管段数 数码管分为共阳极的 码管、共阴极的 码管两种。本方案选择的是共阳极的 码管，共阳就是 7 段的显示字码共用一个电源的正极。 图 15 数码管引脚示意图 21 从上图 可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件： 1、是要在 （ 3/8脚）加正电源； 2、要使（ a,b,c,d,e,f,g,接低电平或“ 0”电平，这样才能显示。 共阳极 码管的内部结构原理图图 16： 图 16 共阳极 码管的内部结构原理图 码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据 码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。本方案所选择的数码管采用的是动态式。 数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之 一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划 a,b,c,d,e,f,g,的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通 电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。 透过分时轮流控制各个 使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码 管的点亮时间为 1 2于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的 I/O 口，而且功耗更低。 22 如图 17 所示，四块方片镀银铜电极固定在一绝缘电极板上，每片电极的大小为 10*10极电流 I 的上边缘与电压电极 E 的下边缘之间距离为 6右电极片之间的内缘距离为 6量时，人体站在电极板的电极上，右脚前掌与电流电极 触 ，后脚掌与电压电极 触；左脚前掌与电流电极 触，后脚掌与电压电极 触。高频恒定电流通过电流电极 经人体，经两后脚掌、两小腿、两大腿、臀部、腹部等成一回路，在电压电极 间产生一电压 U，设 间的人体阻抗为 Z，流经人体的电流为 U=于 恒定电流，所以电压 U 与阻抗 Z 成正比。这样，就将 间的人体阻抗的测量转换成电压的测量。 图 17 测量人体阻抗 相较于 51 系列单片机， 列单片机功耗更少，运行速度更快，具有丰富的 中断和寄存器资源且 的输出电平驱动能力比 51 单片机更强，而且程序是开源的，更有利于开发。 基于 片机的上述优点，同时考虑到体积小更符合嵌入式的要求，所以初步选择采用 号的单片机，其具有 14 个数字输入 /输出端口 23 X,13， 8 个模拟输入端口 7， 1 对 平串口收发端口 X， 6个 口， 持 载及供电，支持外接 5V12持 9V 电池供电以及 支持 载。 片机实物图