最新智能型BMI体重指数测试仪的设计与制作毕业设计名师资料汇编.docx
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最新智能型BMI体重指数测试仪的设计与制作毕业设计名师资料汇编
本科毕业设计
（2012届）
题目
智能型BMI体重指数测试仪的设计与制作
学院
专业
班级
学号
学生姓名
指导教师
完成日期
诚信承诺
我谨在此承诺：
本人所写的毕业论文《智能型BMI体重指数测试仪的设计与制作》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人（签名）：
2012年05月09日
摘要
本设计主要设计BMI（BodyMassIndex，身体质量指数）体重测试仪系统的信号处理过程，继而实现整个BMI体重测试。
BMI体重测试仪系统主要包括称重传感器、放大器、信号处理过程和液晶显示是整个系统的关键。
BMI测试过程：
由传感器采集的电信号，经过一系列的信号处理过程和输入的身高值，由BMI=体重（kg）/（身高^2）得到最终的结果。
传感器由两个50kg的半桥称重传感器组成全桥，其称量范围是100kg。
BMI值最终由采集到的体重和用户输入的身高决定。
本BMI体重测试仪系统主要是由带A/D转换功能的单片机STC12C5A16S2控制单元，由电阻式应变片获取电信号，经AD620放大器、按键、显示模块以及软件程序来完成整个称重系统。
本设计运用LCD1602液晶分两行显示采集到体重值，用户输入的身高值和经系统处理过的BMI值和用户的身体质量状况，其直观、易读的特点将会受到用户的热爱。
显然由单片机控制的体重秤具备使用方便，直观，测量准确，成本低等特点。
此外，随着现代社会随着人们生活水平的提高，人们对自己的身体健康越来越关注，为此BMI体重测试仪越来越凸显出了其广泛的市场前景受。
若BMI体重测试仪广泛地使用在家庭生活中，将会为提高我国的人民的身体素质及延长平均寿命做出巨大贡献。
关键字：
BMI；体重计；STC12C5A16S2；称重传感器；AD620
ABSTRACT
ThisdesignmainlythedesignsignalprocessingsystemofBMIweighttester,thenrealizetheentireBMIweighttest.BMIweighttestersystemmainlyincludingweighingtransducer,amplifiers,signalprocessingandliquidcrystaldisplayisthekeytothewholesystem.BMItestprocess:
fromsensorstocollecttheelectricalsignals,afteraseriesofsignalprocessingandinputheightvalue,byBMI=weight（kg）/（height^2）getthefinaloutcome.Thewholebridgeweighingtransducerscompositionoftwo50kghalfbridgeweighingtransducersanditsrangeisweighing100kg.BMIeventuallyisdecidedbythecollectedweightandtheheightoftheuser.
TheBMIweighttestersystemismainlycomposedoftakingA/DconversionfunctionofthesinglechipmicrocomputerSTC12C5A16S2controlunits,bytheresistancestraingaugetypeforelectricalsignal,throughtheprocessofamplifierAD620,buttons,displaymoduleandsoftwareprogramtocompletethewholeweighingsystem.ThisdesignusesLCD1602todisplaythecollectedweightvalue,theuserinputheightvalueandthesystemwiththebodymassindex（BMI）andtheuser'shealthycondition.theintuitiveandeasytoreadcharacteristicswillbelivelylovedbyusers.
Obviouslythesingle-chipmicrocomputercontrolweightscaleshavecharacteristicsofconvenientlyuse,intuitive,highmeasurementaccuracy,lowcostetc.Inaddition,inmodernsocietywiththeimprovementofpeople'slivingstandard,peopletakemoreandmoreattentionontheirhealth,thereforeBMIweighttestermoreandmorebringsoutitswidespreadmarketprospect.IftheBMIweighttesterwidelyusedinthefamily,itwillsbetoimproveourpeople'sphysicalqualityandmadegreatcontributiontoextendlifeexpectancy.
Keywords:
BMI；weighttester；STC12C5A16S2；weighingtransducer；AD620
1引言
体重秤可以分为电子体重秤和机械体重秤，还可以分为带身高尺的体重秤和不带身高尺的体重秤。
体重称是衡器使用功能中的一个分类，物美价廉，可以帮助人们有效的监视自己的体重变化，新产品还可以检测自己的脂肪含量，而且还有一些人性化的附属功能。
现代社会随着人们生活水平的提高，人们对自己的身体健康越来越关注，而身高和体重比例又是衡量身体健康与否的一个重要标准，因此用一台体重计定期测量自己的体重是否合格成为关注自我的一个标志。
传统的体重秤是仪表形式的，不仅测量的误差比较大，而且读数很不方便，体积上会占用更多的空间。
而电子衡器总的发展趋势向着小型化、模块化、集成化、智能化方向发展；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性。
因此电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。
低成本、高智能化的电子体重秤体现出来了其广泛的市场前景。
在我国，集多能于一体的体重秤还并没大量普及。
可以预见，多功能，智能化体重秤技术必将随着我国相关技术的发展而逐步完善和成熟，广泛地使用在家庭生活中，将会为提高我国的人民的身体素质及延长平均寿命做出巨大贡献。
本设计主要设计BMI体重测试仪系统的信号处理过程，由带A/D转换功能的单片机STC12C5A16S2控制单元，由电阻式应变片获取电信号，经AD620放大器、按键、显示模块以及软件程序来完成整个称重系统。
选择LCD1602显示，突出了直观易读的特点。
2
概述
2.1电子称概述
衡器（weighingmachine），是计量器具的一个重要组成部分。
过去人们称计量为'度量衡'。
所谓度，是指用尺（如古时的骨尺、牙尺及以后渐次问世的竹尺、木尺、皮尺、钢尺等）测量物体的长短；所谓量，是指用容器（如古时的合、升、斗、斛及以后使用的量桶、量杯等）测量物体的体积；所谓衡，则是指测量物体重量。
衡，应始于原始社会末期，据史料记载距今已有4000多年，当时出现了物品交换，但计量方法则是靠眼看手摸；而作为计量重量的器具--衡器，在我国最早出现于夏朝；春秋战国时期已掌握了杠杆原理，战国中期在楚中一带已广泛使用天平和砝码称量黄金，但在相当长的时期内计量标准不一，较为混乱，直到秦统一天下后，于秦始皇二十六年实行商鞅变法（公元前221年），才统一了度量衡标准；宋朝时期出现了准确度达到1厘（40mg）的戥秤，标志着当时的衡器已具有相当可观技术水准。
衡器广泛应用于工业、农业、商业、科研、医疗卫生等部门。
衡器是利用力的形变平衡原理（胡克原理）或力的杠杆平衡原理测定物体质量的。
形变平衡根据被测物自身重量所引起的弹性体形变量来测定被测物质量，形变量随着重力加速度的变化而变化；杠杆平衡根据标定砝码重量与被测物重量在杠杆上的平衡来测定被测物质量。
杠杆平衡与重力加速度的变化无关，但在重力加速度等于零时，衡量失效。
衡器按结构原理可分为机械秤、电子秤、机电结合秤三大类。
电子秤是电子衡器中的一种，衡器是国家法定计量器具，是国计民生、国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备，衡器产品技术水平的高低，将直接影响各行各业的现代化水平和社会经济效益的提高。
因此，称重技术的研究和衡器工业的发展各国都非常重视。
50年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。
60年代初期出现机电结合式电子衡器以来，随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。
经过40多年的不断改进与完善，衡器技术也在不断进步和提高[1]。
从世界水平看，衡器技术已经经历了四个阶段，从传统的全部由机械元器件组成的机械称到用电子线路代替部分机械元器件的机电结合秤，再从集成电路式到目前的单片机系统设计的电子计价秤。
中国的衡器行业是一个具有漫长发展历史的传统产业和重要的基础行业。
改革开放后，中国衡器行业有了较快的发展，衡器工业的管理体制、行业结构、产品结构、技术水平以及在国民经济中所处的地位更是变化巨大。
多年以来，中国都是以机械衡器为主，二十世纪八十年代开始扩大对电子衡器的使用和对大型自动衡器的研制，中国现已能够独立设计制造精度高、运行快、计量准确的各种电子衡器。
我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。
现今电子衡器制造技术及应用得到了新发展：
电子称重技术从静态称重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参数测量发展[1]。
常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。
现代社会随着人们生活水平的提高，人们对自己的身体健康越来越关注，而身高和体重比例又是衡量身体健康与否的一个重要标准，因此用一台体重计定期测量自己的体重是否合格成为关注自我的一个标志。
传统的体重秤是仪表形式的，不仅测量的误差比较大，而且读数很不方便，体积上会占用更多的空间。
而电子衡器总的发展趋势向着小型化、模块化、集成化、智能化方向发展；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其应用性能趋向于综合性和组合性[2]。
因此电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。
低成本、高智能化的电子体重秤体现出来了其广泛的市场前景。
此外，由于科技高速发展和应用水平提高，衡器产品数字化、集成化、网络化、智能化将成为世界衡器工业的发展方向和重点。
中国应用高技术含量的先进衡器，还处在依赖进口解决供应的阶段，因此，在技术含量高的衡器产品领域，中国的衡器制造企业有着巨大的发展空间。
另外，随着国内消费水平和工业经济的持续增长，衡器产品的国内需求将进一步拉升。
2.2本设计方案思路
我国工业现代化的进程和电子信息产业以20%以上的速度连续高速增长，专用电子设备中的应用也快速增长，所用传感器占市场份额的15%左右。
为此，运用传感器制作电子产品的趋势越来越明显，其市场前景也越来越被看好。
基于上述背景，本设计以实现信号的良好采集、放大、传输为主要目的；以电信号的转换，信号的处理及控制显示为主要设计内容，以此实现智能化、直观化、便于用户使用的BMI体重测试仪的测试系统。
在信号采集方面设计用称重传感器采集弱电信号，由于采集的信号只有mV级，故而设计了小信号的放大电路和信号的滤波电路以此保证能够采集到良好的信号和便于下级单片机易于处理的信号；在A/D转换方面，由于单片机自身带有8位和10位转换功能，为了能够得到高精度的体重值，为此采用10位的A/D转换功能对其进行转化。
对信号的处理控制上，由功能键、加键、减键控制器和单片机的计算处理使其在LCD上显示。
2.3研发方向和技术关键
（1）小信号的采集和放大，放大器的运用；
（2）A/D转换功能的运用和处理；
（3）单片机控制数据处理，LCD液晶显示；
（4）人机交互键面的控制、转换；
2.4主要技术指标
（1）系统工作电压：
直流5V
（2）称重传感器称重范围：
0-100kg
（3）放大器AD620对小信号的放大倍数：
G=500
（4）传感器满量程输出：
10mV
（5）传感器综合误差：
0.2%
（6）测量精度：
10kg/mV
3
系统方法论证与选型
3.1控制器部分
考虑到本设计资源的利用率、成本等因素，故而只需要普通的51单片机即可实现BMI测试系统的功能。
但是硬件电路的制作过程中，由于称重传感器所采集的电信号是模拟信号必须对其模-数转换。
然而如果选取AD0809芯片必然增加设计成本，也使得设计电路变得复杂，PCB板可能出现跳线等问题增加硬件制作的难度等等。
而且现增强板的带模/数转换功能的51单片机已经很多了，而且价位和普通的单片机差不多，A/D运用起来也比较简单，故而本设计我选取了带A/D的STC12C5A60S2[3]。
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S，即250万次/秒）,针对电机控制，强干扰场合。
STC12C5A60S2系列单片机带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器,速度可达到250KHz（25万次/秒）。
8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
其ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC转换结果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC_CONTR构成。
STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。
逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。
STC12C5A60S2通过模拟多路开关，将通过ADC0~7的模拟量输入送给比较器。
用数/模转换器（DAC）转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。
A/D转换结束后，最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同时，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG,以供程序查询或发出中断申请。
模拟通道的选择控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2~CHS0确定。
ADC的转换速度由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0确定。
在使用ADC之前，应先给ADC上电，也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。
3.2数据采集部分的选择
数据采集部分由称重传感器和信号放大器和采样保持电路组成。
3.2.1传感器的选择
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。
传感器可分为应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器等等。
各种传感器的性能如下：
（1）应变式传感器[4]
应变式传感器的工作原理是，机械弹性结构体受力变形时产生应变效应。
这种应变效应应由电阻应变片完成检测，应变片的电阻变化再由电桥完成信号的转换，并最终输出与弹性体受力成对关系的电信号。
应变式传感器的优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。
缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。
（2）电感式传感器[4]
电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器的优点是灵敏度高，分辨力高，位移小；精度高，线性特性好，非线性误差小；性能稳定，重复性好；结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、寿命长；能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。
缺点是存在交流零位信号，不适于高频动态信号测量等。
（3）电容式传感器
电容式传感器的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2
eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。
在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低。
如图
（1）所示：
图1圆筒形电容器
电容器传感器的优点是结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。
缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。
在选择传感器时必须根据传感器的性能参数：
称重量程、额定压力范围、最大压力范围、损坏压力、线性度、温度范围以及各种传感器的优缺点等来选取最适合本设计的传感器，特别是要注意称重量程、最大压力范围、损坏压力由此选择传感器。
（1）额定压力范围
额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。
也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。
在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。
（2）最大压力范围
最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。
特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。
因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。
一般最大压力是额定压力最高值的2-3倍。
（3）温度范围
压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。
补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。
工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。
工作温度应保证在常温下正常工作。
（4）损坏压力
损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。
（5）压力迟滞
为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。
综合上述各种传感器的特点，选择了压力传感器，然压力传感器的种类也很多包括电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
本设计选择了电阻应变式称重传感器。
电阻应变式传感器[4]工作原理：
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。
如图2所示为其主要的工作原理：
当直流供电的平衡电阻电桥的电阻发生变化时，从而转化为电阻两端的输出电压变化为下一步数据处理作准备。
图2称重传感器电路原理图
输出电压
计算公式：
（1）
当
时，输出电压
：
（2）
本设计选用适合称重的压力传感器，即量程50kg的两个半桥称重传感器组成量程是100kg的全桥电路。
用法完全与50千克的半桥称重传感器相同，仅仅是量程很输出最大幅度增大了2倍。
50kg半桥式称重传感器技术参数如表1所示：
表150kg半桥式称重传感器技术参数表
量程（kg）
50
综合误差（%F.S）
0.2
额定输出温度飘移（%F.S/10℃）
≤0.15
灵敏度（mv/v）
0.9±0.1
零点输出（mV/V）
±0.3
非线性（%F.S）
0.2
输入电阻（Ω）
1000±50
续表150kg半桥式称重传感器技术参数表
重复性（%F.S）
0.1
输出电阻（Ω）
1000±50
滞后（%F.S）
0.2
绝缘电阻（MΩ）
≥2000（100VDC）
蠕变（%F.S/3min）
0.1
推荐激励电压（V）
5～10
零点漂移（%F.S/1min）
0.1
工作温度范围（℃）
-10～+50
零点温度漂移（%F.S/10℃）
0.2
过载能力（%F.S）
150
3.2.2放大电路的选择
称重传感器输出电压振幅范围0～10mV。
而A/D转换的STC12C5A60S2单片机是以单片机的实际工作电压5V来做模拟参考电压的，故其输入电压要求为0～5V，因此放大环节要有500倍左右的增益。
而且在简单系统中绝对精度和漂移误差是放大电路最主要的误差来源。
为此即使很小的干扰信号也会严重的影响输出结果，继而需要设计的电路必须要抑制共模信号，为此本设计采用差分放大器AD620芯片作为放大电路的主芯片。
AD620的优点：
（1）低成本；
（2）无论用于何种系统都能提供更低功耗（最大工作电流只有1.3mA）、更低成本、更高的精度的放大器；
（3）放大器电路本身仅需设置一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000；
（4）高精度（最大非线性度40ppm）、低失调电压（最大50uV）和低失调漂移（最大0.6uV/°C）特性，是电子称和传感器接口等精密数据采集系统的理想之选。
AD620其工作原理如图3所示：
图3AD620内部结构
输入晶体管Q1和Q2提供一路高精度差分对双极性输入如图3，同时由于采用SuperBeta处理，因此输入偏置电流减小10倍。
反馈环路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使的输入器件Q1和Q2的集电极电流保持恒定，从而可将输入电压作用于外
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