智能体重检测仪设计与实现

费佳　章涤峰

摘要：体重是人们最基本、最简单的健康指数，尤其对于儿童和青少年来说，体重指标可以显示他们的发育成长状态，通过体重检测可以减少或者尽早发现他们体重异常的并发症。传统的体重测量仪在数据存储、数据分析、体重异常提醒等方面存在着不足，本文根据体重测试的标准和需求，对传统体重测量仪进行了改进设计，以单片机为核心构建称重电路、显示电路、按键电路、扬声器电路等，通过计算BMI身高体重指数判定测试者体重处于何种状态，并语音播报提醒被测者，藉此帮助测量者注意控制体重的变化。

关键词：体重测量；健康标准；单片机；压力传感器；BMI指数

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）03-0248-02

1 概述

随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们的营养条件得到极大程度的改善，尤其对于青少年群体，他们生活方式发生了转变，如青少年体育锻炼、户外活动、家务劳动等运动时间越来越少，而看电视、做作业、玩游戏等静态生活的时间却在不断增加，导致机体能量摄入与能量消耗不平衡，造成我国青少年超重和肥胖流行状况日趋严重，根据上海、北京、杭州市、吉安等调查结果表明，我国少年儿童体重状况很不理想，肥胖的发生率较高，肥胖儿童的体质状况相对较差，已经成为影响我国青少年身心健康的重要问题。肥胖具有严重的健康后果，如容易导致儿童在很小的年龄就出现2型糖尿病与心血管问题，如高血压、高血脂以及动脉硬化的早期迹象等，极大影响他们的健康。多数专家建议，应先引导“重度肥胖”儿童逐渐养成健康的生活方式，然后才考虑药物治疗，最后必要时再进行手术。同时，调查结果还表明，我国自我测量体重、关注体重、掌握实际体重的比例还不高， 对于体重认知都存在错误，有必要进一步加强人群健康教育和健康促进，大力倡导和支持人人自测体重、知晓体重及维持健康体重。

质量是一个生活中常用到的物理量，在正常大气压下，人的体重测量即被看作质量测量，老式的体重测量仪器甚至包括常规的质量测量仪器一般采用机械弹簧式的方法，机械弹簧式的称重仪在精度和耐久性上远远不能满足现代社会的需求。老式称重仪有两大无法避免的问题，一是机械弹簧式的称重仪设计原理依靠弹簧的材料属性，随着时间推移会因为弹簧材料的老化或者磨损使得数据不够精确；二是老式称重仪一般使用图形表盘来表征测量出来的数值，这种表达形式可能因为视觉角度，光线强弱影响人们数值读取的准确性。

现代生活要求更高精确度和稳定性更高的测量仪器，基于此，设计的电子体重监测仪既克服传统称重仪的不足，又能检测体重的变化并判定是否合乎正常标准。通过以单片机为核心，外接高灵敏度的压力传感器并且通过A/D将测得数值直接转换成数字显示在显示屏上面直接读数，满足精确度高和稳定性好的两大要求；并通过BMI身高体重指数公式计算出测试者体重处于何种状态，并语音通报以便及时提醒被测者注意。

2 装置设计

2.1 总体设计

为了改进老式称重仪精确度不高和耐用性低的缺点，确定测量精确度要求[±]0.1kg，清除数值读取视觉误差；稳定性高，称量更宽不受外界影响；根据BMI算法得出测试者的体重状况并能够实现语音播报。依据设计目标，系统设计总体方案框图如图2所示，由5个部分组成：控制器部分、测量部分、报警部分、数据显示部分、键盘输入部分。通过压力传感器采集到被测物体的重量并将其转换成电压信号，然后通过放大电路把输出的很小电压信号进行准确的线性放大，放大后的模拟电压信号再经 A/D转换电路转换成数字量，并被送入主控电路的单片机中，单片机使用BMI算法计算得出BMI值，再经过单片机控制显示器显示出使用者的重量和BMI值，同时单片机根据BMI值控制扬声器输出相应的告警信息。

2.2 系统的硬件电路设计

硬件电路的构成主要有以下几部分：AT89S52的最小系统构成、 键盘输入、数据采集、显示电路、语音播报电路等。

2.2.1 数据采集部分

数据采集部分由压力传感器和A/D转换部分构成。用A/D模块采样传感器串联电阻两端的电压，用单片机计算并驱动显示。根据设计要求，并考虑到与其相配置的各种电路的设计的难易程度和设计性价比及秤的最大称量值、选用传感器的个数、秤体的自重、可能产生的最大偏载及动载等因素，确定传感器的额定载荷为150Kg，允许超载为150%，精度为0.05%，最大量程时误差[CS]0.1kg。

A/D转换器选用的是ADC0832，是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。正常情况下ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线，分别是[CS]、[CLK]、[D0]、[D1]。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0-5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。具体如图2所示。

通常传感器输出的电信号是微弱的，不能够满足后续的转换要求，必须对它进行放大。称重传感器输出电压振幅范围0～20mV，而单片机输入电压要求在0～5V，为了使单片机能更好地处理采集信号，增益设为200倍，零点和增益的温度漂移和时间漂移极小。运放器选用的是OP07，OP07芯

片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

2.2.2 单片机的选择

设计中选用AT89S52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash储存器。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM， 32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路[4]。

2.2.3显示电路与AT89S52单片机接口电路设计

显示电路采用LM 016L液晶模块，由HD44780控制器控制。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或者4位并行传输两种方式。H D44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据RAM、字符发生器ROM（DDRA M）、字符发生器RAM （CGRAM）、地址计数器（AC）组成。

2.2.4语音告警模块

为了让使用者直观地了解到自身所处的状态，加入了语音提示功能，结合BMI算法，可以让使用者清晰、直观地了解到自身的状态。选择的ISD4000系列的语音芯片，采用多电平直接模拟量存储技术，将每个采样值直接存储在片内的快闪存储器中，能够非常真实地再现语音、音乐、音调和效果声。该电路具有操作简单、接口方便、录音时间长、可任意分段录放、不怕断电及低功耗等诸多优点。操作命令通过串行通信接口（SPI或Microware）送入，并LM386音频集成功放芯片作为功放电路放大语音播报。ISD4003与LM386芯片的链接的硬件图3所示。

2.3 系统软件设计

系统经过硬件连接后，即可进行软件实现，具体的流程图如图4所示。首先进行系统初始化，然后通过键盘手

动输入被测者的姓名、身高等基本数据，进而进行体重测量并计算其BMI值，按照中国标准判定其体重状态，之后

通过显示模块显示体重及状态结果并通过语音播报模块播报其结果。

3实验结果与分析

应用设计的智能体重检测仪对50位同学进行实验，皆可完成体重测量和语音播报，与应用其他测量工具测得的结果对比分析可知，测量结果准确，BMI值计算正确，播报提示可靠。

4 结论

设计的体重检测装置由单片机控制，可以克服机械式称重仪的弊端，同时具有BMI值计算和体重状态判定与播报功能，即通过单片机分析处理，进行体重和状态显示及通过语音进行现场检测结果播报，以便让被测者准确知晓直接的体重状态，并提醒其根据现有状态进行响应的处置。以单片机为核心的体重检测装置性能稳定，成本低廉，功耗低，发生故障的概率极低，而且复位简单，按键复位即可，也可进行手动输入。

参考文献：

[1] 姜勇，张梅，李镒冲等.2010年我国成人体重自测及体重知晓情况分析[J].中国健康教育，2013（06）.

[2] 徐继英，姚海宏等.海市15岁以上人群超重率和肥胖率的现状及发展趋势[J].中国慢性病预防与控制，2014（02）.

[3] 邹利民，张晓春.吉安市城区肥胖儿童体质调查与分析[J].中国儿童保健杂志，2013（03）.

[4] 刘淑岭，李英华.北京市西城区公务员测量体重与自评体重关系研究[J].中国预防医学杂志，2014（04）.

[5] 张青春，郁岚.智能人体电子秤的系统设计[J].仪表技术，2008（7）.

[6] 程德福，王君，凌振宝，王言章.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7] 马晓平.压力传感器及其应用[J].信息产业报道，2001（2）.

[8] 王幸之.AT89系列单片机原理及接口技术[M].北京：北京航天航空出版社，2006.

[9] 胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2002.