費佳　章滌峰

摘要：體重是人們最基本、最簡單的健康指數(shù)，尤其對于兒童和青少年來說，體重指標可以顯示他們的發(fā)育成長狀態(tài)，通過體重檢測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)的體重測量儀在數(shù)據(jù)存儲、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)體重測試的標準和需求，對傳統(tǒng)體重測量儀進行了改進設(shè)計，以單片機為核心構(gòu)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(shù)判定測試者體重處于何種狀態(tài)，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(guān)鍵詞：體重測量；健康標準；單片機；壓力傳感器；BMI指數(shù)

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(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，人們的營養(yǎng)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(fā)生了轉(zhuǎn)變，如青少年體育鍛煉、戶外活動、家務(wù)勞動等運動時間越來越少，而看電視、做作業(yè)、玩游戲等靜態(tài)生活的時間卻在不斷增加，導(dǎo)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(jù)上海、北京、杭州市、吉安等調(diào)查結(jié)果表明，我國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)狀況相對較差，已經(jīng)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(dǎo)致兒童在很小的年齡就出現(xiàn)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(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，最后必要時再進行手術(shù)。同時，調(diào)查結(jié)果還表明，我國自我測量體重、關(guān)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(dǎo)和支持人人自測體重、知曉體重及維持健康體重。

質(zhì)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(zhì)量測量，老式的體重測量儀器甚至包括常規(guī)的質(zhì)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(xiàn)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(shè)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(shù)據(jù)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(shù)值，這種表達形式可能因為視覺角度，光線強弱影響人們數(shù)值讀取的準確性。

現(xiàn)代生活要求更高精確度和穩(wěn)定性更高的測量儀器，基于此，設(shè)計的電子體重監(jiān)測儀既克服傳統(tǒng)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(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BMI身高體重指數(shù)公式計算出測試者體重處于何種狀態(tài)，并語音通報以便及時提醒被測者注意。

2 裝置設(shè)計

2.1 總體設(shè)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(shù)值讀取視覺誤差；穩(wěn)定性高，稱量更寬不受外界影響；根據(jù)BMI算法得出測試者的體重狀況并能夠?qū)崿F(xiàn)語音播報。依據(jù)設(shè)計目標，系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(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中，單片機使用BMI算法計算得出BMI值，再經(jīng)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(jù)BMI值控制揚聲器輸出相應(yīng)的告警信息。

2.2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

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、 鍵盤輸入、數(shù)據(jù)采集、顯示電路、語音播報電路等。

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，用單片機計算并驅(qū)動顯示。根據(jù)設(shè)計要求，并考慮到與其相配置的各種電路的設(shè)計的難易程度和設(shè)計性價比及秤的最大稱量值、選用傳感器的個數(shù)、秤體的自重、可能產(chǎn)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(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(shè)定在某一個較大范圍之內(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是微弱的，不能夠滿足后續(xù)的轉(zhuǎn)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(shè)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(wěn)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(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)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(shè)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(tǒng)可編程Flash儲存器。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)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(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)寄存器（DR）、忙標志（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）、地址計數(shù)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(tài)，加入了語音提示功能，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系列的語音芯片，采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，將每個采樣值直接存儲在片內(nèi)的快閃存儲器中，能夠非常真實地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)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(yōu)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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)經(jīng)過硬件連接后，即可進行軟件實現(xiàn)，具體的流程圖如圖4所示。首先進行系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(tài)，之后

通過顯示模塊顯示體重及狀態(tài)結(jié)果并通過語音播報模塊播報其結(jié)果。

3實驗結(jié)果與分析

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

4 結(jié)論

設(shè)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(tài)判定與播報功能，即通過單片機分析處理，進行體重和狀態(tài)顯示及通過語音進行現(xiàn)場檢測結(jié)果播報，以便讓被測者準確知曉直接的體重狀態(tài)，并提醒其根據(jù)現(xiàn)有狀態(tài)進行響應(yīng)的處置。以單片機為核心的體重檢測裝置性能穩(wěn)定，成本低廉，功耗低，發(fā)生故障的概率極低，而且復(fù)位簡單，按鍵復(fù)位即可，也可進行手動輸入。

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