智能体重测量解析系统

智能体重仪设计方案书

背景

电子体重秤是一种智能型体重测量仪器，与老式指针式体重计相比，具有测

量精度高、可锁定显示、读数以便等长处。其重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。

目前市场上大部分电子体重秤重要有如下几种，一种是功能仅限于称体重并

且显示体重读数H勺电子体重秤，另一种不仅能测量体重还能测量身体H勺脂肪率、

肌肉率、内脏脂肪、基础代谢、水分率、蛋白质、骨量、BMI等身体数据。大部

分后一种电子体重秤还能将测得日勺数据无线传播到中，然后运用APP进行数

据分析并给出直观的各项身体数据变化趋势图。

而通过讨论，我们本次准备设计一种和后一种类似日勺可检测身体健康状况的I

智能体重仪，功能基本和市场上已经有欧I电子体重秤类似。

二,总体目的

当被测者站在智能体重仪上时，体重仪显示屏显示被测者H勺目前体重和身

高，同步体重仪还能精确测量身体体质数据，再将这些测得的数据无线传播到

APP中，被测者在使用APP时先将年龄、性别、腰围、胸围、臀围、腿围等个人

信息输入进夫，APP结合这些数据分析被测者的健康状况，并日显示健康状况趋

势分析图表，并且给出被测者合理欧I健康管理提议。

三.功能、技术参数的制定与分析

1.体重显示功能

当被测者站在体重仪上，其重量传递到称重传感器上，传感器产生对应日勺电

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，运算成果送到显示屏显示出来。

2.身高显示功能

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

测者对应的身高，单片机再通过显示屏将身高数据显示出来。

3.体质测试功能

通过BIA生物电阻抗法分析被测者的体质，可以测出人体对应的阻抗，根据

测出时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、BMI等体质数据。BIA法以记录学为工具，通过研究人体对应部位的不一

样频率日勺阻抗值与某些人体成分参数的有关性，结合人体体重、年龄、性别等基

本参数，建立对应阻抗与对应人体成分H勺经验公式，并通过已知人体成分推算未

知人体成分。重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

人体对应部位的电压，通过数据采集、计算得到人体对应阻抗值，然后传给上位

机完毕人体成分计算。（全身体脂数据H勺测量精确H勺条件应当是令试验电流尽量

日勺通过人体日勺最大途径，由于电流走短不走长，因此测量体脂时，电极应分别位

于手和脚。）

详细的阻抗与人体成分之间的计算公式如下：

身体水分总量TBW

TBW=1.396+0597*身高（cm）*身高/阻抗（欧姆））+0.099*体重（kg）-0.009*^

龄

体脂肪BF多元线性逐渐回归和方差分析措施

BF=0.846*体重（kg）-0.185*身高*身高（cm）/阻抗（欧姆）-2.361*性别（男）女0）

-24.977

身高质量指数BMI：体重/（身高*身高（米））

理想体重：22*身高（米）*身高（米）或身高（cm）-105

脂肪含量：（1.2*BMI）+（0.23*年龄）-（10.8*性别）-5.4

数值范围4%-60%

性别数值：男性为1,女性为0

4.数据无线传播功能

体重仪获取日勺体重等身体数据通过蓝牙或WIFI无线模块传送到APP中。

5.自动开机功能

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升机,

并旦进入称重模式U

抗值，然后无线传播给APP完毕人体成分计算；所有体质分析仪获取日勺身高、体

重、脂肪率、肌肉率等身体数据通过蓝牙或WIFI无线模块传送到APP中。

控制系统总体框图如下图1所示。

体重脂肪率等（APP）

图1控制系统总体框图

五.关键部件的选型设计

根据上述控制系统设计方案，智能体重仪将重要由如下关键部件构成，包括

称重模块，AD转换模块，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。

L称重传感器

(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

照构造型式不一样位移传感器和应变传感器“综合价格、性能、规定等条件，设

计采用4片YZC-161B-50kg体重传感器。YZC-161B使用简朴以便，价格廉价并且

性能稳定，单片传感器的测量量程为50kg,4片分力量程可以到达200kg，满足

设计规定。

(a)拆解前(b)拆解后

(O去除焊线(d)应变电阻片局部放大

图2人体称重传感器

F

图3传感器构造图4受力分析

两端受到一对大小相等日勺剪切力，由对称性可知，构件以中心点为平衡点产

生形变。应变片会产生对应日勺应变，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Application电子秤

型号ModelYZC-160B

量程CapacityKg50

输出敏捷度RatedoutputmV/V1.0±0.1

输入阻抗InputresistanceQ1000±20

输出阻抗OutputresistanceQia)o±2o

推荐鼓励电压RecommendedexcitationvoltageV5V

工作温度范围Operationtemperaturerange℃一20〜465

传感器材料Loadcellmaterial合金钢Alloysteel

接线方式Methodofconnectingwire红、黑、白

满量程输出电压;鼓励电压*敏捷度，设计中鼓励电压为5V,传感器的敏捷

度为1.0mV/V,因此满员程输出电压为：5x10=5.0mV。

对于传感器的连接方式，设计中采用4个传感器，4个传感器构成全桥测量,

量程为4只传感器的量程之和：

50kgx4=200依。全桥测量电路如图所示：

________球色线电涯

交接E一

八

应变电阻1k*、七应变电阻1kQ

fx才,一-白色线信号

负接S—A

应变电阻：k9变电阻1kQ

!____________________.__绿__色__线_信

号正解S+A

红色线电源

L-----------正接E+

图5全桥测量电路及其接线图

2.A/D转换模块

(1)选型比较

HX7U是一款专为高精度称重传感器而设计日勺24位A/D转换器芯片。与同

类型其他芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型

芯片所需要口勺外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等长处。减少

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MCU芯片的

接口和编程非常简朴，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部口勺寄存器编程。

输入选择开关可任意选用通道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,对应日勺满额度差分输入信号幅值分别为土

20mV或±40mV。通道B则为固定日勺32增益，用于系统参数检测。芯片内提供

日勺稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内日勺A/D转换器提供电源，系统板上无

需此外日勺模拟电源。芯片内日勺时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功

能简化了开机时初始化过程。

HX711模块引脚图如下图所示：

稳压电路电源VSUP匚1•16ZZIDVDD数字电源

稳压电路控制输出BASE二215口RATE输出数据速率控制输入

模拟电源AVDD匚314=1XI外部时钟或晶振输入

稳压电路控制输入VFB匚413二XO晶振输入

模拟地AGND匚512=□DOUT串口数据输出

参考电源输出VBG二611二］PD_SCK断电和串口时钟输入

通道A负输入端INNA二710=□INPB通道B正输入端

通道AiE输入端INPA二89INNB通道B负输入端

SOP-16L封装

图6HX711模块引脚组

表2HX711模块引脚含义

管脚号名称性能描述

1VSUP电源稳压电路供电电源：2.6~5.5V

2BASE模拟输出稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）

3AVDD电源模拟电源：2.6~5.5V

4VFB模拟输入稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地）

AGND地模拟地

6VBG模拟输出参考电源输出

7

IXA-模拟输入通道A负输入端

8INA+模拟输入通道A正输入端

9IXB-模拟输入通道B负输入端

10INB+模拟输入通道B正输入端

11PD_SCK数字输入断电控制（高电平有效）和串口时钟输入

1二DOLT数字输出串口数据输出

13XO数字输入输出晶报输入（不用晶报时为无连接）

11XI数字输入外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器

15RATE数字输入输出数据速率控制，0:10Hz;1:80Hz

16DVDD电源数字电源：2.6〜5.5V

HX711模块的特点:

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

简朴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10Hz或80Hz的输出数据速率

同步克制50Hz和60Hz日勺电源干扰

耗电量（含稳压电源电路）：经典工作电流：＜1.7mA,断电电流：＜1UA

工作电压范围：2.6~5.5V

工作温度范围：・20~+85℃

(2)功能实现

A.模拟输入

通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器日勺差分输出相接。由于桥式传感器

输出的信号较小，为了充足运用A/D转换器日勺输入动态范围，该通道时可编程增

益较大，为128或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别土20mV或土

40mVo通道B为固定的32增益，所对应日勺满量程差分输入电压为±80mV.通

道B应用于包括电池在内的系统参数检测。

B.供电电源

数字电源(DVDD)应使用与MCU芯片相似的日勺数字供电电源。HX711芯片内

的稳压电路可同步向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。稳压电源H勺供电电

压(VSUP)可与数字电源(DVDD)相似。稳压电源的输出电压值(VAVDD)由外部分

压电阻R1、R2和芯片的输出参照电压VBG决定(图1),VAVDD=VBG(R1+R2)/R2。

应选择该输出电压比稳压电源的输入电压(VSUP)低至少lOOmVo假如不使用芯片

内H勺稳压电路，管脚VSUP和管脚AVDD应相连，并接到电压为2.6〜5.5V的低

噪声模拟电源。管脚VBG上不需要外接电容，管脚VFB应接地，管脚BASE为

无连接。

C.时钟选择

假如将管脚XI接池，HX711将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭

外部时钟输入和晶振的有关电路。这种状况下，经典输出数据速率为10Hz或

80HZo假如需要精确日勺输出数据速率，可将外部输入时钟通过一种20pF的箱直

电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。这种状况下，芯片内

的时钟振荡滞电路会自动关闭，晶振时钟或外部输入时钟电路被采用。此时，若

晶振频率为11.0592MHz，输出数据速率为精确的I10Hz或80Hz。输出数据速率与

晶振频率以上述关系按比例增长或减少。使用外部输入时钟时，外部时钟信号不

一定需要为方波。可将MCU芯片的晶振输出管脚上日勺时钟信号通过20pF时隔直

电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。外部时钟输入信号日勺幅值可低至

150mVo

D.串口通讯

串M通讯线由管脚PD_SCK和DOUT构成，用来输出数据，选择输入通道和

增益。当数据输出管脚DOUT为高电平时，表明A/D转换器尚未准备好输出数据,

此时串口时钟输入信号PD_SCK应为低电平。当DOUT从高电平变低电平后，

PD_SCK应输入25至27个不等时时钟脉冲（图二）。其中第一种时钟脉冲的上

升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB）,直至第24个时钟脉冲完毕，24

位输出数据从最高位至最低位逐位输出完毕。第25至27个时钟脉冲用来选择下

一次A/D转换时输入通道和增益，参见表3。

表3输入通道和增益选择

PD_SCK脉冲数输入通道增益

25A128

26B32

27A64

PD_SCK日勺输入时钟脉冲数不应少于25或多于27,否则会导致串口通讯错

误。当A/D转换器的输入通道或增益变化时，A/D转换那需要4个数据输出周期

才能稳定。DOUT在4个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。

当前转换周期下一个转换周期

符号说明最小值典型值最大值单位

T；DOUT下降沿到PD_SCK脉冲上升沿0.1MS

LPD_SCK脉冲上升沿到DOUT数据有效0.1MS

T3PD_SCK正肽冲电平时间0.2502

T.PD_SCK负肤冲电平时间0.22

图7数据输出时序

E.复位和断电

当芯片上电时，芯片内日勺上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD_SCK

输入用来控制HX711的断电。当PD_SCK为低电平时，芯片处在正常工作状态。

断电控制:

断电正常工作

图8断电控制时序

假如PD_SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60US,HX711即进入

断电状态（图三）。如使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D

转换器会被同步断电。当PD_SCK重新回到低电三时，芯片会自动复位后进入正

常工作状态。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，通道A和增益128

会被自动选择作为第一次A/D转换的输入通道和增益。随即的输入通道和增益选

择由PD_SCK的脉冲数决定，参见串口通讯一节。芯片从复位或断电状态进入正

常工作状态后，A/D转换器需要4个数据输出周期才能稳定。DOUT在4个数据

输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。

3.测距模块

（1）选型比较

目前成熟的测距传感器重耍有三种类型：超声波测距传感器、红外线测距传

感器和激光测距传感器，因此如表4比较了三种类型传感器FI勺优缺陷，便于我们

选择出自己需要的测距传感器。

表4测距传感器优缺陷

传感器类型

长处缺陷

优缺陷

方向性好、成本不高、可测得的距离程度一般，精

超声波测距传感器

以在较差环境中使用度一般，厘米级

精度低、距离近、方向性

红外线测距传感器廉价、轻易制造、安全

差、易受光线影响

激光测距传感器可测距离远，精度很高制造难度大、成本高

根据上述对三种类型测距传感器优缺陷口勺分析，再综合考虑智能体重仪日勺低

成本规定，并且由于测距传感器要测的是人体的身高这段距离，且精度规定不能

太低，因此选择超声波测距传感器作为测距模块。由于测距模块需要测距的对象

为人体H勺身高，因此测距最大值为2米5,而超声波测距传感器一般最多可测几

米，因此超声波测距传感器满足测距程度规定。又由于一般人们测身高都是精确

到厘米即可，因此超声波测距传感器的厘米级精度完全符合该智能体重仪日勺规

定。

通过比较市场上各类超声波测距模块，选择HC-SR04超声波测距模块。

HC-SR04超声波测距模块电气参数

工作电压：DC5V

工作电流：15mA

工作频率：40kHz

最远射程：400cm

近来射程：2cm

输入触发信号：10us日勺TTL脉冲

输出回响信号：输出TTL电平信号，与射程成比例

规格尺寸：45*20x15mm

智能体重仪需测的人体身高最大距离一般为2米5,因此HC-SR04模块的最

远射程完全能满足所需口勺测量范围。

HC-SR04模块的实物图如下图9所示:

图9HC-SR04模块实物图

由实物图中可以看出，HC-SR04超声波测距模块有四个引脚:

Vcc：5V电源

Trig：触发信号输入

Echo：回响信号输出

GND：电源地

（2）功能实现

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距

精度可高达3mm,模块包括超声波发射器、接受器和控制电路。

该模块基本工作原理：

1）采用10口Trig触发测距，给至少10us日勺高电平信号；

2）模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测与否有信号返回；

3）有信号返回，通过10口Echo输出一种高电平，高电平的持续时间就是超声

波从发射到返回的时间。测试距离二（高电平时间*声速（340m/s））/2。

IQuSTTL

锹发信号_________________________________________

循环发出8个40KHZ脉冲

模块内部________________________________________________________

发出信号

输出回响回响电平输出

信号与检测距离成比例

图10超声波时序图

以上时序图表明只需要提供一种10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将

发出8个40kHz周期脉冲并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。

回响信号的脉冲宽度与所测日勺距离成正比。由此通过发射信号到收到回响信号区I

时间间隔可以计算得到距离。公式：US/58=厘米或是测试距离二(高电平时间*

声速(340m/s))/2o

4.无线通信模块

(1)选型比较

目前比较成熟的I无线通信技术重要有ZigBee、蓝牙和WiFi。下面就这三种

无线通信技术进行比较，看哪种无线技术更适合应用于智能体重仪的控制方案

中。

Zigbee的重要长处有功耗低、成本低、掉线率低和组网能力强，缺陷重要有

传播距离近，数据信息传播速率低和会有延时性。

蓝牙的重要长处有功耗低且传播速率快，建立连接的时间短，稳定性好，安

全度高，缺陷重要有数据传播日勺大小受限，设备连接数量少，蓝牙设备日勺单一连

接性。

WiFi的重要长处有传播范围广，传播速度快，健康安全，普及应用度高，

缺陷重要有功耗太大，体积太大。

通过这三种无线通信技术的优缺陷比较，并结合制定的控制方案可以看出，

由于智能体重仪日勺通信对象是，用来接受数据，而中没有内置日勺ZigBee

接受模块，因此只能在蓝牙或WiFi中选择。而又由于本项目中日勺智能体重仪采

用电池供电日勺形式，因此最终选择低功耗的蓝牙模块作为智能体重仪的无线通信

模块。

通过比较市场上多种蓝牙模块，最终选择了ELET114A蓝牙双模模块。

该模块参数如下：

支持IOS和Android系统

支持BT3.0+EDR和BT4.0(BLE)Dual-Mode,两种模式可同步工作

支持UART、SPI、I2C、I2S等接口

工作电压：3.3V

工作电流：不大于20mA

由于该智能体重仪需要通过蓝牙模块传播数据给，而目前H勺智能系统

都是I0S或Android,而该模块两个系统都能支持，因此完全符合规定。

ELET114A蓝牙双模模块实物图如下图11所示:

图11蓝牙双模模块实物图

由实物图可以看出，该模块有34个引脚，详绢引脚的定义图如下图12所示:

PrintAntenna

I

34

UART_TXBIOH一

I

33

UART_RXBI010一

I

32

UART.CTSBIO9一

I

31

UART.RTSBIO8一

I

30

AJO1BK)78一

AJO2一

蓝牙双模模块I

28

AJO3一

AJ04BK)4127

ELET114A-

C£_DATABQ312-6

B

|25

一

BI

24

CB一

VC

123

0-

二L

S9Z866

O0O0002122

?W-

W?W4?。

图12蓝牙模块引脚图

由于一般选择单片机上的串口与蓝牙模块进行通信，因此在这重要简介和串

口有关n勺几种引脚，其他引脚临时不讨论。

UART_TX:UART数据发送输出脚

UART_RX:UART数据接受输入脚

UART_CTS:UART清发送输入脚

UART_RTS:UART祈求发送输入脚

AIOI:BT_WAKEUP,数字输入脚，MCU唤醒蓝牙模块

0：低电平蓝牙模块进入休眠省电模式

1：高电平唤醒蓝牙模块

AI02：CMD/DATA_SWITCH,数字输入脚，切换数据模式和命令模式

0：低电平数字模式

1:高电平命令模式

AIO3：HOST_WAKEUP,数字输出脚，蓝牙模块唤醒MCU

0：输出低电平，表达串口没有数据发送到MCU

1：输出高电平，表达串口有数据发送到MCU

VCC：外部电源3.3V输入

GND：电源地

（2）功能实现

单片机通过UART串口发送AT指令实现与蓝牙模块之间的通信，需要使用

的AT指令重要有如下几种：

表5蓝牙模块部分AT指令

功能AT命令返回成果阐明

设置当地SPP设备AT+DNAME二〃name〃<COK<CR><LF>name为设备名

名R><LF>

查询当地设备名AT+DNAME?<CR><LF>+DNAME:name<CR><name为目前设备名

LF>

设置默认配对码AT+PIN=,,1234//<CR><LOK<CR><LF>1234为默认配对码

F>

查询配对码AT+PIN?<CR><LF>+PIN:<PIN

code><CR><LF>

设置波特率AT+URATE=115200<CROK<CRxLF>波特率设置为

><LF>115200

查询波特率AT+URATE?<CR><LF>+URATE:115200<CR>

<LF>

5.显示模块

(1)选型比较

数据显示是体质仪日勺一项重要功能，是人机互换的重要构成部分，它可

以将测量电路测得日勺体重和身高数据通过微处理滞处理后直观的显示出来。

数据显示部分可以有如下两种方案可供选择：一是LED数码管显示，二是

LCD液晶显示。

本方案选择4位LED数码管显示模块，理由如下：①LED数码管一般只

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

LED数码管合适；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；②LED数码管相对于LCD液晶显示亮度高，成本低，程序、

电路简朴。

LED数码管模块实物图如下图所示:

图13数码管实物图

4位LED数码管有关参数如下：

L采用2片595驱动数码管，需要单片机3路10口，根据数码管动态

扫描原理进行显示；

2.宽工作电压3.3V到5V；

3.PCB板尺寸：71mm*22mm

4.数码管型号：0.364位共阳

（2）功能实现

LED数码管是由多种发光二极管封装在一起构成“8”字型的器件，引线己

在内部连接完毕，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管常用段数一

般为7段有时另加一种小数点。图14这是一种7段两位带小数点10引脚的LED

数码管，每一笔划都是对应一种字母表达DP是小数点。

A

图14数码管段数

数码管分为共阳极H勺LED数码管、共阴极的LED数码管两种。本方案选择的

是共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一种电源日勺正极。

Vi111

图15数码管引脚示意图

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VT端〔3/8

脚）加正电源;2、要使3,13,3&。,。a€12端接低电平或“0”电平,这样才

能显不。

共阳极LF.D数码管H勺内部构造原理图图16：

及♦*fe*"bygd加〃

VT寸VT4

Ig।

图16共阳极LED数码管的内部构造原理图