智能体重仪方案书.docx
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智能体重仪方案书
智能体重仪设计方案书
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、BMI等身体数据。
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去，APP结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。
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。
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相应的身高，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、BMI等体质数据。
BIA法以统计学为工具，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TBW
TBW=1.396+（0.597*身高（cm）*身高/阻抗（欧姆））+0.099*体重（kg）-0.009*年龄
体脂肪BF多元线性逐步回归和方差分析方法
BF=0.846*体重（kg）-0.185*身高*身高（cm）/阻抗（欧姆）-2.361*性别（男1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.数据无线传输功能
体重仪获取的体重等身体数据通过蓝牙或WIFI无线模块传送到手机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开机，并且进入称重模式。
6.自动休眠校零功能
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。
7.匹配手机APP数据分析功能
体重仪检测到的身体各项数据无线传输到手机APP中之后，APP对这些数据进行分析，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。
8.量程/分度值
量程：
10-100kg分度值：
0.1kg
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APP中；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APP完成人体成分计算；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WIFI无线模块传送到手机APP中。
控制系统总体框图如下图1所示。
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，智能体重仪将主要由以下关键部件构成，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。
1.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YZC-161B-50kg体重传感器。
YZC-161B使用简单方便，价格便宜而且性能稳定，单片传感器的测量量程为50kg，4片分力量程可以达到200kg，满足设计要求。
图2人体称重传感器
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Application
电子秤
型号Model
YZC-160B
量程CapacityKg
50
输出灵敏度RatedoutputmV/V
输入阻抗InputresistanceΩ
输出阻抗OutputresistanceΩ
推荐激励电压RecommendedexcitationvoltageV
5V
工作温度范围Operationtemperaturerange℃
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=激励电压*灵敏度，设计中激励电压为5V，传感器的灵敏度为1.0mV/V,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：
。
全桥测量电路如图所示:
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
HX711是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MCU芯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±20mV或±40mV。
通道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。
HX711模块引脚图如下图所示：
图6HX711模块引脚图
表2HX711模块引脚含义
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10Hz或80Hz的输出数据速率
同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰
耗电量（含稳压电源电路）：
典型工作电流：
<1.7mA,断电电流：
<1μA
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的差分输出相接。
由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。
这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。
通道B为固定的32增益，所对应的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芯片相同的的数字供电电源。
HX711芯片内的稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。
稳压电源的供电电压（VSUP）可与数字电源（DVDD）相同。
稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2和芯片的输出参考电压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100mV。
如果不使用芯片内的稳压电路，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
如果将管脚XI接地，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相关电路。
这种情况下，典型输出数据速率为10Hz或80Hz。
如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI和XO管脚上。
这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭，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,输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。
输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。
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的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。
外部时钟输入信号的幅值可低至150mV。
D.串口通讯
串口通讯线由管脚PD_SCK和DOUT组成，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转换器还未准备好输出数据，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个不等的时钟脉冲（图二）。
其中第一个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个时钟脉冲完成，24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。
第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益，参见表3。
表3输入通道和增益选择
PD_SCK的输入时钟脉冲数不应少于25或多于27，否则会造成串口通讯错误。
当A/D转换器的输入通道或增益改变时，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。
图7数据输出时序
E.复位和断电
当芯片上电时，芯片内的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，芯片处于正常工作状态。
图8断电控制时序
如果PD_SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60μs，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转换器会被同时断电。
当PD_SCK重新回到低电平时，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。
随后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主要有三种类型：
超声波测距传感器、红外线测距传感器和激光测距传感器，所以如表4比较了三种类型传感器的优缺点，便于我们选择出自己需要的测距传感器。
表4测距传感器优缺点
传感器类型
优缺点
优点
缺点
超声波测距传感器
方向性好、成本不高、可以在较差环境中使用
测得的距离限度一般，精度一般，厘米级
红外线测距传感器
便宜、容易制造、安全
精度低、距离近、方向性差、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点的分析，再综合考虑智能体重仪的低成本要求，并且由于测距传感器要测的是人体的身高这段距离，且精度要求不能太低，所以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的身高，所以测距最大值为2米5，而超声波测距传感器一般最多可测几米，所以超声波测距传感器满足测距限度要求。
又因为通常人们测身高都是精确到厘米即可，所以超声波测距传感器的厘米级精度完全符合该智能体重仪的要求。
经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
最近射程：
2cm
输入触发信号：
10us的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*20*15mm
智能体重仪需测的人体身高最大距离一般为2米5，所以HC-SR04模块的最远射程完全能满足所需的测量范围。
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、接收器和控制电路。
该模块基本工作原理：
1）采用IO口Trig触发测距，给至少10us的高电平信号；
2）模块自动发送8个40kHZ的方波，自动检测是否有信号返回；
3）有信号返回，通过IO口Echo输出一个高电平，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=（高电平时间*声速（340m/s））/2。
图10超声波时序图
以上时序图表明只需要提供一个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的距离成正比。
由此通过发射信号到收到回响信号的时间间隔可以计算得到距离。
公式：
us/58=厘米或是测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。
4.无线通信模块
（1）选型比较
现在比较成熟的无线通信技术主要有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的主要优点有功耗低、成本低、掉线率低和组网能力强，缺点主要有传播距离近，数据信息传输速率低和会有延时性。
蓝牙的主要优点有功耗低且传输速率快，建立连接的时间短，稳定性好，安全度高，缺点主要有数据传输的大小受限，设备连接数量少，蓝牙设备的单一连接性。
WiFi的主要优点有传输范围广，传输速度快，健康安全，普及应用度高，缺点主要有功耗太大，体积太大。
经过这三种无线通信技术的优缺点比较，并结合制定的控制方案可以看出，由于智能体重仪的通信对象是手机，用手机来接收数据，而手机中没有内置的ZigBee接收模块，所以只能在蓝牙或WiFi中选择。
而又由于本项目中的智能体重仪采用电池供电的形式，所以最后选择低功耗的蓝牙模块作为智能体重仪的无线通信模块。
经过比较市场上各种蓝牙模块，最后选择了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，两种模式可同时工作
支持UART、SPI、I2C、I2S等接口
工作电压：
3.3V
工作电流：
小于20mA
由于该智能体重仪需要通过蓝牙模块传输数据给手机，而现在的智能手机系统都是IOS或Android，而该模块两个系统都能支持，所以完全符合要求。
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，具体引脚的定义图如下图12所示：
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，所以在这主要介绍和串口有关的几个引脚，其余引脚暂时不讨论。
UART_TX:
UART数据发送输出脚
UART_RX:
UART数据接收输入脚
UART_CTS:
UART清发送输入脚
UART_RTS:
UART请求发送输入脚
AIO1：
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
AIO2：
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，表示串口没有数据发送到MCU
1：
输出高电平，表示串口有数据发送到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指令主要有以下几个：
表5蓝牙模块部分AT指令
功能
AT命令
返回结果
说明
设置本地SPP设备名
AT+DNAME=”name”
OK
name为设备名
查询本地设备名
AT+DNAME?
+DNAME:
name
name为当前设备名
设置默认配对码
AT+PIN=”1234”
OK
1234为默认配对码
查询配对码
AT+PIN?
+PIN:
设置波特率
AT+URATE=115200
OK
波特率设置为115200
查询波特率
AT+URATE?
+URATE:
115200
5.显示模块
（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：
LED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；LED数码管相对于LCD液晶显示亮度高，成本低，程序、电路简单。
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数码管相关参数如下：
1.采用2片595驱动数码管，需要单片机3路IO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。
LED数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LED数码管，每一笔划都是对应一个字母表示DP是小数点。
图14数码管段数
数码管分为共阳极的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个电源的正极。
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（a,b,c,d,e,f,g,dp）端接低电平或“0”电平，这样才能显示。
共阳极LED数码管的内部结构原理图图16：
图16共阳极LED数码管的内部结构原理图
LED数码管要正常显示，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LED数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,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当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COM端电路的控制，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LED数码管的COM端，就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1～2ms，由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。
6.人体阻抗测量电路
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*10cm2,电极电流I的上边缘与电压电极E的下边缘之间距离为6cm，左右电极片之间的内缘距离为6cm。
测量时，人体站在电极板的电极上，右脚前掌与电流电极I1接触，后脚掌与电压电极E1接触；左脚前掌与电流电极I2接触，后脚掌与电压电极E2接触。
高频恒定电流通过电流电极I1，I2流经人体，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E1与E2之间产生一电压U，设E1与E2之间的人体阻抗为Z，流经人体的电流为I0，则U=I0Z。
由于I0为恒定电流，所以电压U与阻抗Z成正比。
这样，就将E1与E2之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
7.主控制器选型
相较于51系列单片机，Arduino系列单片机功耗更少，运行速度更快，具有丰富的中断和寄存器资源且IO口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Arduino单片机的上述优点，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ArduinoNano型号的单片机，其具有 14个数字输入/输出端口TX,RX,D2~D13，8个模拟输入端口A0~A7，1对TTL电平串口收发端口RX/TX，6个PWM端口，D3,D5,D6,D9,D10,D11，支持USB下载及供电，支持外接5V~12V直流电源供电，支持9V电池供电以及
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