吳晨曦, 蔣 嶸, 伍 新, 劉 蘭, 黃菊生, 趙 璞

(湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 湘潭 411104)

食物營養(yǎng)含量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳晨曦, 蔣 嶸, 伍 新, 劉 蘭, 黃菊生, 趙 璞

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖南湘潭411104)

以單片機(jī)作為控制器，與稱重傳感檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換采集電路、按鍵輸入電路、LCD顯示輸出電路和串口通信構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過稱重感應(yīng)、檢測(cè)放大、A/D采集轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號(hào)經(jīng)串口傳送至上位機(jī)，擬合出檢測(cè)系統(tǒng)的特性曲線。單片機(jī)再以此進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到被測(cè)食物的重量與營養(yǎng)值，并在LCD上顯示。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)簡單方便、稱量準(zhǔn)確，能夠滿足不同個(gè)體的營養(yǎng)需求。

營養(yǎng)值測(cè)量;單片機(jī);稱重傳感器;檢測(cè)系統(tǒng);特性曲線

0 引 言

在日常飲食中，科學(xué)合理地?cái)z入各種營養(yǎng)成份，能促進(jìn)身體健康,反之，則會(huì)帶來諸多不利的影響，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。比如，過多地?cái)z入熱量有可能導(dǎo)致肥胖癥、心血管疾病及精神壓力等問題。因此，本文提出了一種食物營養(yǎng)含量的檢測(cè)方法，利用傳感技術(shù)和微機(jī)技術(shù)，建立關(guān)于食物營養(yǎng)含量的特性關(guān)系，再根據(jù)特性關(guān)系和營養(yǎng)參考值計(jì)算需要攝取的食物量，做到精確攝入，滿足身體需要[1，2]。

1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成與原理

檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)采集、數(shù)據(jù)處理與輸入輸出3部分組成，如圖1所示。其中，傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成食物營養(yǎng)含量的測(cè)量與模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；單片機(jī)完成采集、傳輸食物營養(yǎng)特性曲線擬合需要的數(shù)據(jù)，并根據(jù)特性曲線測(cè)出待測(cè)食物營養(yǎng)含量等數(shù)據(jù)處理工作；由按鍵選擇食物種類，在LCD上顯示設(shè)定值和測(cè)量結(jié)果。工作過程分為2步：1)求特性參數(shù)。以不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼為測(cè)量對(duì)象，稱重傳感器將其質(zhì)量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)，再經(jīng)串口通信發(fā)送至PC，由PC擬合檢測(cè)系統(tǒng)的重量—電壓關(guān)系特性曲線及參數(shù)。2)檢測(cè)營養(yǎng)值。經(jīng)相似的檢測(cè)采集過程后，單片機(jī)利用特性參數(shù)測(cè)出某種食物的重量，并由按鍵選擇已內(nèi)置在單片機(jī)存儲(chǔ)器中不同食物的重量與營養(yǎng)關(guān)系的換算表，得到該食物的營養(yǎng)含量并由LCD顯示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制器，此外還包括稱重傳感檢測(cè)電路、A/D采集轉(zhuǎn)換電路、按鍵輸入電路、LCD顯示輸出電路和串口通信等[3～5]，總體硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理

2.1 稱重傳感檢測(cè)電路

采用HL—8型梁式力傳感器，測(cè)量范圍為5kg，如圖3所示。當(dāng)懸臂梁承載重物時(shí)會(huì)彎曲變形，粘附其上的電阻應(yīng)變片也隨之變形使阻值發(fā)生變化，由電阻應(yīng)變片組成的半橋雙臂差動(dòng)電路將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電橋輸出電壓[6,7],如圖2，檢測(cè)并處理該電壓值后得到被測(cè)物體的重量。

圖3 HL—8型力傳感器示意

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

采用24位的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711。電橋模擬輸出電壓由INA口輸入， 經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為24位數(shù)字量后由DOUT送入單片機(jī)后續(xù)處理。SCK為時(shí)鐘線，DOUT為數(shù)據(jù)線，分別接單片機(jī)的P2.0,P2.1引腳，如圖2。兩引腳與單片機(jī)構(gòu)成串口通信，用來輸出數(shù)據(jù)、選擇輸入通道和增益，如表1。本文選擇輸入通道A和增益128倍。

表1 輸入通道和增益選擇

2.3 LCD顯示電路

采用LCD1602字符點(diǎn)陣型液晶顯示，與單片機(jī)的連接如圖2。由于只需要單片機(jī)向LCD1602寫入命令/數(shù)據(jù)的操作，各端口的狀態(tài)值如表2所示。當(dāng)寫命令字時(shí)，需要將RS和RW置為低電平，然后將命令字送到數(shù)據(jù)口D0～D7，最后E引腳發(fā)出的高脈沖將命令字寫入LCD1602；寫入數(shù)據(jù)時(shí)，需要將RS置為高電平，RW置為低電平，然后將數(shù)據(jù)送到D0～D7口，最后E引腳發(fā)出的高脈沖將數(shù)據(jù)寫入LCD1602并顯示。

表2 LCD1602寫命令/數(shù)據(jù)

2.4 按鍵電路

采用獨(dú)立按鍵式，每個(gè)按鍵占用單片機(jī)的一個(gè)I/O口，如圖2。2個(gè)按鍵S1，S2分別與P2.4和P2.5引腳相連，以設(shè)定,2種不同的食物?？筛鶕?jù)實(shí)際需要擴(kuò)展按鍵數(shù)或采用矩陣鍵盤等，擴(kuò)大食物的選擇范圍。

2.5 串口通信電路

單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過串口傳送至PC，通過PC擬合檢測(cè)系統(tǒng)的特性曲線。采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平和PC的RS—232C電平之間雙向轉(zhuǎn)換，如圖2。此外，系統(tǒng)還包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。

3 程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用主—子結(jié)構(gòu)，由A/D轉(zhuǎn)換、稱重處理、LCD1602顯示、串口通信等模塊化子程序組成，如圖4所示。初始化系統(tǒng)后，A/D轉(zhuǎn)換子程序通過采集標(biāo)準(zhǔn)砝碼，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送稱重處理子程序。一方面單片機(jī)通過串口通信子程序?qū)?shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)特性曲線的擬合；另一方面處理程序根據(jù)特性曲線和按鍵設(shè)定的食物種類，分別完成重量計(jì)算和營養(yǎng)值換算，再由LCD顯示子程序輸出顯示，完成一個(gè)檢測(cè)周期。并重復(fù)進(jìn)入下一個(gè)周期。

圖4 程序流程

這里重點(diǎn)說明A/D轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換子程序負(fù)責(zé)HX711對(duì)稱重傳感電路的輸出信號(hào)放大128倍并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)，HX711的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序如圖5所示，時(shí)間參數(shù)如表3所示。當(dāng)數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT 為高電平時(shí)，說明A/D 轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)串口時(shí)鐘輸入信號(hào)SCK 應(yīng)為低電平。當(dāng)DOUT 從高電平變低電平后，SCK 應(yīng)輸入25～27個(gè)時(shí)鐘脈沖。其中，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿將輸出24 位數(shù)據(jù)的最高位(MSB)，直至第24 個(gè)時(shí)鐘脈沖，完成24 位輸出數(shù)據(jù)從最高位到最低位的逐位輸出。第25～27個(gè)時(shí)鐘脈沖選擇下一次A/D 轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。當(dāng)改變輸入通道或增益時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器需要4個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期才能穩(wěn)定。DOUT 在4個(gè)數(shù)據(jù)輸出周期后才會(huì)從高電平變低電平，輸出有效數(shù)據(jù)。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序

表3 A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間參考值 μs

根據(jù)HX711的時(shí)序得到A/D轉(zhuǎn)換的流程如圖6所示。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換程序流程

相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換子程序如下:

ForAD:CLRP2.0;SCK低電平啟動(dòng)A/D MOVC,P2.1;讀DOUT SETBP2.1;設(shè)為讀引腳DOUTXCHA,R7;C值存入R5R6R7 JBP2.1,$;A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束? RLCA;MOVR4,#24;24位 XCHA,R7;Shiftout:SETBP2.0;SCK脈沖上升沿 XCHA,R6;NOP;正脈寬T3=1μs RLCA; CLRP2.0;SCK脈沖下降沿 XCHA,R6;XCHA,R5; SETBP2.0;第25個(gè)SCK脈沖RLCA; NOP;XCHA,R5; CLRP2.0;通道A,增益128 DJNZR4,Shiftout;已循環(huán)24次? RET

LCD顯示、按鍵掃描、串口通信的流程分別如圖7(a)～圖7(c)所示。

圖7 其余子程序流程

4 特性曲線標(biāo)定

被測(cè)食物的重量M經(jīng)稱重傳感檢測(cè)電路和A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)U，由單片機(jī)采集后通過串口通信上傳至PC。為求傳感器的特性曲線，用不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼作為輸入M，與單片機(jī)采集到的相應(yīng)數(shù)字信號(hào)U構(gòu)成數(shù)組，共采集20組數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行一元線性回歸，得到傳感器特性關(guān)系曲線，表達(dá)式為

M=3.007×10-4U-9.628

U-M特性曲線如圖8所示，R=0.999 4接近1，擬合程度很好。由于使用最小值為1 g的砝碼進(jìn)行標(biāo)定，其分辨率為1 g,所以，本測(cè)試系統(tǒng)的分辨率與之相同也為1 g。

圖8 傳感器特性曲線

5 性能分析

將U-M特性曲線用于稱重處理子程序，用該系統(tǒng)計(jì)算得到的重量值與砝碼標(biāo)定值進(jìn)行對(duì)比，共采用了21個(gè)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，如圖9所示?？梢钥闯?，測(cè)量值與標(biāo)定值比較接近。系統(tǒng)平均相對(duì)誤差和平均絕對(duì)誤差均較小，分別為4.2 %和6.38 g,均方根誤差僅6.473 g，反映出測(cè)量精密度較高。誤差產(chǎn)生的原因是由于系統(tǒng)的非線性、工作電壓的波動(dòng)、環(huán)境溫度和電磁干擾等因素引起。

圖9 測(cè)量值與標(biāo)定值比較

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，得到如表4所示的測(cè)量數(shù)據(jù)。用貝塞爾法計(jì)算，5種不同標(biāo)定值的重復(fù)性誤差分別為0.422，0.422，0.422，0.466，0.497 g，值較小，說明系統(tǒng)隨機(jī)誤差小，能重復(fù)穩(wěn)定工作。

表4 重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù) g

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)食物重量的檢測(cè)轉(zhuǎn)換與采集任務(wù)；獲取傳感器的特性曲線并根據(jù)特性曲線測(cè)量未知重量和營養(yǎng)值，測(cè)量精度能滿足日常飲食的需要；程序采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰，可讀性好；針對(duì)個(gè)體差異，精細(xì)控制，便于修改調(diào)整營養(yǎng)參考指標(biāo)；系統(tǒng)容易擴(kuò)展成對(duì)多種食物、多種營養(yǎng)成分的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有成本低的特點(diǎn)。檢測(cè)系統(tǒng)仍需得完善，比如充分發(fā)揮雙向串口通信的作用，在上位機(jī)增加統(tǒng)計(jì)分析功能，進(jìn)一步提升算法程序的穩(wěn)定性與可重復(fù)精度等。

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Designoffoodnutritioncontentdetectionsystem

WU Chen-xi, JIANG Rong, WU Xin, LIU Lan, HUANG Ju-sheng, ZHAO Pu

(SchoolofMechanicalEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411104,China)

The detection system is composed of single chip microcomputer(SCM) which is used as controller,weight sensing detecting circuit,analog to digital(A/D) conversion acquisition circuit,key input circuit,liquid crystal display(LCD) output circuit and serial communication.After weighing,sensing,detecting,amplifying,A/D collecting and converting,the datasets acquired from the detection system are transmitted to upper PC via serial port,and the characteristic curve of the detection system is fitted by PC computing the datasets.The nutrition value of the tested food is calculated and displayed on the LCD according to the characteristic parameters.The result shows that the design is simple and accurate,and can meet the nutrition demands of different individuals.

nutrition value measurement;single chip microcomputer(SCM); weight sensor;detection system;characteristic curve

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0118—03

2017—08—15

TB 932

A

1000—9787(2017)10—0118—03

吳晨曦(1971-)，男，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制等,E—mail: wcxwgw.student@sina.com。