智能體重儀方案書(shū)講解

1、智能體重儀設(shè)計(jì)方案書(shū) 一. 背景 電子體重秤是一種智能型體重測(cè)量?jī)x器， 與傳統(tǒng)指針式體重計(jì)相比，具有測(cè) 量精度高、可鎖定顯示、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。其主要應(yīng)用于體質(zhì)健康測(cè)試中人體體 重?cái)?shù)據(jù)的測(cè)量，面向體育、醫(yī)衛(wèi)、勞動(dòng)、學(xué)校等單位開(kāi)展全民健身活動(dòng)使用，是 學(xué)生體質(zhì)健康測(cè)試必備儀器之一。 現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分電子體重秤主要有以下幾種， 一種是功能僅限于稱體重并 且顯示體重讀數(shù)的電子體重秤，另一種不僅能測(cè)量體重還能測(cè)量身體的脂肪率、 肌肉率、內(nèi)臟脂肪、基礎(chǔ)代謝、水分率、蛋白質(zhì)、骨量、BMI等身體數(shù)據(jù)。大部 分后一種電子體重秤還能將測(cè)得的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī)中，然后利用APP進(jìn)行 數(shù)據(jù)分析并給出直觀的各項(xiàng)身體數(shù)據(jù)

2、變化趨勢(shì)圖。 而經(jīng)過(guò)討論，我們本次準(zhǔn)備設(shè)計(jì)一個(gè)和后一種類似的可檢測(cè)身體健康狀況的 智能體重儀，功能基本和市場(chǎng)上已有的電子體重秤類似。 二. 總體目標(biāo) 當(dāng)被測(cè)者站在智能體重儀上時(shí)，體重儀顯示屏顯示被測(cè)者的當(dāng)前體重和身 高，同時(shí)體重儀還能精準(zhǔn)測(cè)量身體體質(zhì)數(shù)據(jù)， 再將這些測(cè)得的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)绞?機(jī)APP中，被測(cè)者在使用APP時(shí)先將年齡、性別、腰圍、胸圍、臀圍、腿圍等 個(gè)人信息輸入進(jìn)去，APP結(jié)合這些數(shù)據(jù)分析被測(cè)者的健康狀況， 并且顯示健康狀 況趨勢(shì)分析圖表，并且給出被測(cè)者合理的健康管理建議。 三. 功能、技術(shù)參數(shù)的制定與分析 1. 體重顯示功能 當(dāng)被測(cè)者站在體重儀上，其重量傳遞到稱重傳感器上，傳感器

3、產(chǎn)生相應(yīng)的電 信號(hào)，此信號(hào)由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送 到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)程序進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送到顯示器顯示出來(lái)。 2. 身高顯示功能 當(dāng)被測(cè)者頭頂上方頂著擋板站在體重儀上， 體重儀上的測(cè)距傳感器能測(cè)出被 測(cè)者相應(yīng)的身高，單片機(jī)再通過(guò)顯示屏將身高數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。 3. 體質(zhì)測(cè)試功能 通過(guò)BIA生物電阻抗法分析被測(cè)者的體質(zhì)， 可以測(cè)出人體相應(yīng)的阻抗，根據(jù) 測(cè)出的阻抗可以算出脂肪率、肌肉率、內(nèi)臟脂肪、基礎(chǔ)代謝、水分率、蛋白質(zhì)、 骨量、BMI等體質(zhì)數(shù)據(jù)。BIA法以統(tǒng)計(jì)學(xué)為工具，通過(guò)研究人體相應(yīng)部位的不同 頻率的阻抗值與一些人體成分參數(shù)的相關(guān)性，結(jié)合人體體重、年齡、

4、性別等基本 參數(shù)，建立相應(yīng)阻抗與相應(yīng)人體成分的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過(guò)已知人體成分推算未知 人體成分。主要通過(guò)給電極施加安全電流作用在人體上，然后又通過(guò)電極檢測(cè)人 體相應(yīng)部位的電壓，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算得到人體相應(yīng)阻抗值，然后傳給上位機(jī) 完成人體成分計(jì)算。（全身體脂數(shù)據(jù)的測(cè)量準(zhǔn)確的條件應(yīng)當(dāng)是令實(shí)驗(yàn)電流盡可能 的通過(guò)人體的最大路徑，因?yàn)殡娏髯叨滩蛔唛L(zhǎng)，所以測(cè)量體脂時(shí)，電極應(yīng)分別位 于手和腳。） 具體的阻抗與人體成分之間的計(jì)算公式如下： 身體水分總量TBW TBW=1.396+（0.597身高（cm）* 身高 / 阻抗（歐姆）+0.099*體重（kg）-0.009*年 齡 體脂肪BF多元線性逐步回歸和方差分

5、析方法 BF=0.846咻重（kg）-0.185*身高*身高（cm）/阻抗（歐姆）-2.361*性別（男1女0） -24.977 身高質(zhì)量指數(shù)BMI :體重/ （身高*身高（米） 理想體重：22*身高（米）*身高（米）或身高（cm）-105 脂肪含量：（1.2*BMI）+ （0.23*年齡）-（10.8*性別）-5.4 數(shù)值范圍4%-60% 性別數(shù)值：男性為1,女性為0 4. 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能 體重儀獲取的體重等身體數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙或 WIFI無(wú)線模塊傳送到手機(jī)APP中 5. 自動(dòng)開(kāi)機(jī)功能 當(dāng)被測(cè)者站上體重儀時(shí)，體重儀檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)，立即觸發(fā)體重儀自動(dòng)開(kāi)機(jī)， 并且進(jìn)入稱重模式。 6. 自動(dòng)休眠校零

6、功能 當(dāng)被測(cè)者離開(kāi)體重儀時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到體重為零時(shí)，體重儀自動(dòng)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀 態(tài)，且對(duì)體重儀進(jìn)行自動(dòng)校零。 7. 匹配手機(jī)APP數(shù)據(jù)分析功能 體重儀檢測(cè)到的身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)绞謾C(jī) APP中之后，APP對(duì)這些數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析，并且與之前測(cè)得的身體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 得出被測(cè)者的各項(xiàng)身體數(shù)據(jù)變 化趨勢(shì)圖表，并且對(duì)被測(cè)者給出合理的健康管理建議。 8. 量程/分度值 量程：10-100kg分度值：0.1kg 四. 總體控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 當(dāng)被測(cè)者站在體重儀上時(shí)，其重量傳遞到稱重傳感器上，傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的 電信號(hào)，此信號(hào)由放大電路進(jìn)行放大、經(jīng)濾波后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 送到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)程序進(jìn)行

7、運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送到顯示器顯示出來(lái)；同時(shí) 利用測(cè)距模塊測(cè)量被測(cè)者身高，并通過(guò)體重儀上的顯示屏顯示出來(lái)并將身高數(shù)據(jù) 無(wú)線傳輸至手機(jī) APP中；人體阻抗測(cè)量電路通過(guò)電極施加安全電流作用在人體 上,然后又通過(guò)電極檢測(cè)人體相應(yīng)部位的電壓，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算得到人體相 應(yīng)阻抗值，然后無(wú)線傳輸給APP完成人體成分計(jì)算；所有體質(zhì)分析儀獲取的身高、 體重、脂肪率、肌肉率等身體數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙或 WIFI無(wú)線模塊傳送到手機(jī)APP中。 控制系統(tǒng)總體框圖如下圖1所示。 圖1控制系統(tǒng)總體框圖 五. 關(guān)鍵部件的選型設(shè)計(jì) 根據(jù)上述控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，智能體重儀將主要由以下關(guān)鍵部件構(gòu)成， 包括 稱重模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，測(cè)距模塊，無(wú)

8、線通信模塊，顯示模塊，人體阻抗測(cè)量 電路，主控制器及電源模塊。 1稱重傳感器 (1)選型比較 體重傳感器就是把非電量的人體體重轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件。稱重傳感器按 照結(jié)構(gòu)型式不同位移傳感器和應(yīng)變傳感器。綜合價(jià)格、性能、要求等條件，設(shè)計(jì) 采用4片YZC-161B-50k體重傳感器。YZC-161B使用簡(jiǎn)單方便，價(jià)格便宜而且性 能穩(wěn)定，單片傳感器的測(cè)量量程為 50kg，4片分力量程可以達(dá)到200kg，滿足設(shè) 計(jì)要求。 )拆解前 飛)拆解后 (c) 去除焊線 心 應(yīng)變電阻片局部放大 圖2人體稱重傳感器 圖3傳感器結(jié)構(gòu)圖4受力分析 兩端受到一對(duì)大小相等的剪切力，由對(duì)稱性可知，構(gòu)件以中心點(diǎn)為平衡點(diǎn)產(chǎn) 生形

9、變。應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，轉(zhuǎn)化成電阻變化。 稱重傳感器的技術(shù)參數(shù)如下表： 表1稱重傳感器技術(shù)參數(shù) 應(yīng)用 Applicati on 電子秤 型號(hào) Model YZC-160B 量程 Capacity Kg 50 輸出靈敏度 Rated output mV/V 1.00.1 輸入阻抗 In put resista nee Q 100020 輸出阻抗 Output resista nee Q 100020 推薦激勵(lì)電壓 Recomme nded excitati on voltage V 5V 工作溫度范圍 Operati on temperature range c -20 +65 傳感器材料

10、Load cell material 合金鋼 Alloy steel 接線方式 Method of connecting wire 紅、黑、白 滿量程輸出電壓=激勵(lì)電壓*靈敏度，設(shè)計(jì)中激勵(lì)電壓為 5V,傳感器的靈敏 度為1.0mV/V所以滿量程輸出電壓為：5 1.0二5.0mV。 對(duì)于傳感器的連接方式，設(shè)計(jì)中采用4個(gè)傳感器，4個(gè)傳感器組成全橋測(cè)量， 量程為4只傳感器的量程之和： 50kg 4 = 200kg。全橋測(cè)量電路如圖所示： 應(yīng)變電阻1 k 應(yīng)變電阻1 k處 白邑線悟號(hào) 負(fù)接A 1 應(yīng)變電阻1 k疏 圖5全橋測(cè)量電路及其接線圖 2.A/D轉(zhuǎn)換模塊 (1)選型比較 HX711是一款專為高精

11、度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的 24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同 類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型 芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低 了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的 接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。 輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道 A或通道B,與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。 通道A的可編程增益為128或64,對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為土 20mV或土 40mV。通道B則為固定的32增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。芯片內(nèi)提供 的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器

12、和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無(wú) 需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。 上電自動(dòng)復(fù)位功 能簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程。 HX711模塊引腳圖如下圖所示： 穩(wěn)壓電路電源 VSUP 匸 1 * 16 1 DVDD 數(shù)字電源 穩(wěn)壓電路控制輸出 BASE 匚 2 1? 1 RATE 輸出數(shù)據(jù)速率控制輸入 模擬電源 AVDD 匚 3 14 1 XI 外部時(shí)鐘或晶振輸入 穩(wěn)壓電路控制輸入 VFB 匸 斗 13 1 XO 晶振輸入 模擬地 AGND 5 12 1 DOUT 串口數(shù)據(jù)輸出 參考電源輸出 VBG 1 1 6 1 1 1 PD SCK 斷電和串口時(shí)鐘輸入 通道人負(fù)輸入端

13、INNA 1 7 10 INPB 通道BIE輸入端 通道AIE輸入端 IN PA I S 9 1 INNB 通道L3負(fù)輸入端 SOP-16L 封裝 圖6HX711模塊引腳圖 管腳號(hào) 名稱 r性能 描述 1 VSUP 電源 穩(wěn)壓電路供電電源:2.6 5, 5V 2 BASE 模擬輸出 穩(wěn)壓電躋控制輸出（不用穩(wěn)壓電路時(shí)為無(wú)連接） 3 AVDD 電源 模擬電源:2,65.5 4 VFB 模擬輸入 穩(wěn)壓電路控制輸入（不用穩(wěn)壓電路時(shí)應(yīng)接地） 5 AGXD 模擬地 6 VBG 模擬輸出 參考電源輸出 1 INA- 模擬輸入 通道A負(fù)輸入端 8 IKA+ 杈擬輸入 通道A正輸入端 9 INB- 模擬輸入 通

14、道B負(fù)輸入端 10 INB+ 模擬輸入 通道B正輸入端 11 PD SCK 數(shù)字輸入 斷電控制（髙屯平有效）和串口時(shí)鐘輸入 12 DOUT 數(shù)字輸出 串口數(shù)據(jù)輸岀 13 xo 數(shù)字輸入輸出 晶振輸入（不用晶振時(shí)為無(wú)連接） 14 XI 數(shù)字輸入 外部時(shí)鐘或晶振輸入，0:使用片內(nèi)振蕩器 15 RATE 孵輸入 輸出數(shù)據(jù)速率控制,0: 10Hz; 1: 80Hz 16 DVDD 電源 數(shù)字電源；2.6 - 5. 5V HX711模塊的特點(diǎn)： 兩路可選擇差分輸入 片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為 64和128 片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器提供電源 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器無(wú)需任何外接器件

15、，必要時(shí)也可使用外接晶振或時(shí)鐘 上電自動(dòng)復(fù)位電路 簡(jiǎn)單的數(shù)字控制和串口通訊：所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無(wú)需編程 可選擇10Hz或80Hz的輸出數(shù)據(jù)速率 同步抑制50Hz和60Hz的電源干擾 耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）：典型工作電流：1.7mA,斷電電流：1 I A 工作電壓范圍：2.6 5.5V 工作溫度范圍：-20 +85C （2）功能實(shí)現(xiàn) A. 模擬輸入 通道A模擬差分輸入可直接與橋式傳感器的差分輸出相接。由于橋式傳感器 輸出的信號(hào)較小，為了充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的輸入動(dòng)態(tài)范圍，該通道的可編程增 益較大，為128或64。這些增益所對(duì)應(yīng)的滿量程差分輸入電壓分別土 20mV或土 40mV。通

16、道B為固定的32增益，所對(duì)應(yīng)的滿量程差分輸入電壓為土 80mV。通 道B應(yīng)用于包括電池在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)。 B. 供電電源 數(shù)字電源（DVDD應(yīng)使用與MCU芯片相同的的數(shù)字供電電源。HX711芯片內(nèi) 的穩(wěn)壓電路可同時(shí)向A/D轉(zhuǎn)換器和外部傳感器提供模擬電源。穩(wěn)壓電源的供電電 壓（VSUP可與數(shù)字電源（DVDD相同。穩(wěn)壓電源的輸出電壓值（VAVDD由外部分 壓電阻R1、R2和芯片的輸出參考電壓 VBG決定（圖1）, VAVDD=VBG（R1+R2）/R2 應(yīng)選擇該輸出電壓比穩(wěn)壓電源的輸入電壓（VSUP低至少100mV。如果不使用芯片 內(nèi)的穩(wěn)壓電路，管腳 VSUP和管腳AVDD應(yīng)相連，并接到電壓為2

17、.65.5V的低 噪聲模擬電源。管腳 VBG上不需要外接電容，管腳 VFB應(yīng)接地，管腳BASE為 無(wú)連接。 C. 時(shí)鐘選擇 如果將管腳XI接地，HX711將自動(dòng)選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，并自動(dòng)關(guān)閉 外部時(shí)鐘輸入和晶振的相關(guān)電路。這種情況下，典型輸出數(shù)據(jù)速率為10Hz或 80Hzo如果需要準(zhǔn)確的輸出數(shù)據(jù)速率，可將外部輸入時(shí)鐘通過(guò)一個(gè)20pF的隔直 電容連接到XI管腳上，或?qū)⒕д襁B接到 XI和XO管腳上。這種情況下，芯片內(nèi) 的時(shí)鐘振蕩器電路會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，晶振時(shí)鐘或外部輸入時(shí)鐘電路被采用。 此時(shí)，若 晶振頻率為11.0592MHz輸出數(shù)據(jù)速率為準(zhǔn)確的10Hz或80Hz。輸出數(shù)據(jù)速率與 晶振頻率以上述關(guān)系

18、按比例增加或減少。 使用外部輸入時(shí)鐘時(shí)，外部時(shí)鐘信號(hào)不 一定需要為方波。可將MCU芯片的晶振輸出管腳上的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò) 20pF的隔直 電容連接到XI管腳上，作為外部時(shí)鐘輸入。外部時(shí)鐘輸入信號(hào)的幅值可低至 150mV。 D. 串口通訊 串口通訊線由管腳PD_SCI和DOUT組成，用來(lái)輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和 增益。當(dāng)數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT為高電平時(shí)，表明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) PD_SCK應(yīng)為低電平。當(dāng)DOUT從高電平變低電平后， PD_SCK輸入25至27個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖（圖二）。其中第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上 升沿將讀出輸出24位數(shù)據(jù)的最高位（MSB），直至第24個(gè)時(shí)鐘

19、脈沖完成，24 位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。 第25至27個(gè)時(shí)鐘脈沖用來(lái)選擇下 一次A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益，參見(jiàn)表 3。 表3輸入通道和增益選擇 PD SCK膳沖數(shù) 輸 Aflit 2B A L28 26 B 32 27 A 64 下一孜轉(zhuǎn)挾t i#訕.*直32 珀 PD SCk PD_SCK勺輸入時(shí)鐘脈沖數(shù)不應(yīng)少于 25或多于27,否則會(huì)造成串口通訊錯(cuò) 誤。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入通道或增益改變時(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)。 符號(hào) 說(shuō)明 最小值 典型值 最大值 單位 Tt ）OUT下降沿到PD_S

20、CK脈沖上升沿 0. 1 T2 3D_SCK脈沖上開(kāi)沿到DOUT數(shù)據(jù)有效 0.1 T3 3D SCK正脈沖電平時(shí)何 0.2 50 L 3D SCK負(fù)脈沖電平時(shí)何 0.2 下樹(shù)I:通臥第益眉 叫 圖7數(shù)據(jù)輸出時(shí)序 E.復(fù)位和斷電 當(dāng)芯片上電時(shí)，芯片內(nèi)的上電自動(dòng)復(fù)位電路會(huì)使芯片自動(dòng)復(fù)位。管腳PD_SCK 輸入用來(lái)控制HX711的斷電。當(dāng)PD_SCK為低電平時(shí)，芯片處于正常工作狀態(tài)。 斷電控制: SCK 圖8斷電控制時(shí)序 如果PD_SCK從低電平變高電平并保持在高電平超過(guò) 60卩s, HX711即進(jìn)入 斷電狀態(tài)(圖三)。如使用片內(nèi)穩(wěn)壓電源電路，斷電時(shí)，外部傳感器和片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器會(huì)被同時(shí)斷電。當(dāng)P

21、D_SCK重新回到低電平時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)復(fù)位后進(jìn)入正 常工作狀態(tài)。芯片從復(fù)位或斷電狀態(tài)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通道A和增益128 會(huì)被自動(dòng)選擇作為第一次 A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。隨后的輸入通道和增益選 擇由PD_SCK勺脈沖數(shù)決定，參見(jiàn)串口通訊一節(jié)。芯片從復(fù)位或斷電狀態(tài)進(jìn)入正 常工作狀態(tài)后，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)。 3測(cè)距模塊 (1)選型比較 目前成熟的測(cè)距傳感器主要有三種類型： 超聲波測(cè)距傳感器、紅外線測(cè)距傳 感器和激光測(cè)距傳感器，所以如表4比較了三種類型傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，便于我們 選擇出自己需要的測(cè)距傳感器。

22、表4測(cè)距傳感器優(yōu)缺點(diǎn) 傳感器類型 優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 超聲波測(cè)距傳感器 方向性好、成本不咼、可 以在較差環(huán)境中使用 測(cè)得的距離限度一般，精 度一般，厘米級(jí) 紅外線測(cè)距傳感器 便宜、容易制造、安全 精度低、距離近、方向性 差、易受光線影響 激光測(cè)距傳感器 可測(cè)距離遠(yuǎn)，精度很高 制造難度大、成本高 根據(jù)上述對(duì)三種類型測(cè)距傳感器優(yōu)缺點(diǎn)的分析， 再綜合考慮智能體重儀的低 成本要求，并且由于測(cè)距傳感器要測(cè)的是人體的身高這段距離，且精度要求不能 太低，所以選擇超聲波測(cè)距傳感器作為測(cè)距模塊。由于測(cè)距模塊需要測(cè)距的對(duì)象 為人體的身高，所以測(cè)距最大值為 2米5,而超聲波測(cè)距傳感器一般最多可測(cè)幾 米，所以超聲波測(cè)

23、距傳感器滿足測(cè)距限度要求。又因?yàn)橥ǔＨ藗儨y(cè)身高都是精確 到厘米即可，所以超聲波測(cè)距傳感器的厘米級(jí)精度完全符合該智能體重儀的要 求。 經(jīng)過(guò)比較市場(chǎng)上各類超聲波測(cè)距模塊，選擇 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊。 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊電氣參數(shù) 工作電壓：DC5V 工作電流：15mA 工作頻率：40kHz 最遠(yuǎn)射程：400cm 最近射程：2cm 輸入觸發(fā)信號(hào)：10us的TTL脈沖 輸出回響信號(hào)：輸出TTL電平信號(hào)，與射程成比例 規(guī)格尺寸：45*20*15mm 智能體重儀需測(cè)的人體身高最大距離一般為 2米5,所以HC-SR0礙塊的最 遠(yuǎn)射程完全能滿足所需的測(cè)量范圍。 HC-SR04莫塊的實(shí)物圖如下圖

24、9所示： +5V 融發(fā)佶號(hào)愉人 號(hào)輸出 GND 圖9 HC-SR04模塊實(shí)物圖 mJUAWE :U 二x-r.r- 由實(shí)物圖中可以看出，HC-SR04超聲波測(cè)距模塊有四個(gè)引腳： Vcc 5V電源 Trig：觸發(fā)信號(hào)輸入 Echo：回響信號(hào)輸出 GND:電源地 (2)功能實(shí)現(xiàn) HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距 精度可高達(dá)3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路 該模塊基本工作原理: 1）采用10 口 Trig觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)； 2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHZ的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； 3）有信號(hào)返回，通過(guò)I0 口 E

25、cho輸出一個(gè)高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲 波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s）/ 2。 發(fā)信號(hào) 循環(huán)發(fā)出8個(gè)40KHz脈沖 模塊內(nèi)部 發(fā)曲倍號(hào) 回響電平輸出 2檢測(cè)距離成比例 輸岀回響 信號(hào) 圖10超聲波時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明只需要提供一個(gè)10us以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將 發(fā)出8個(gè)40kHZ周期脈沖并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。 回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。 由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到回響信號(hào)的 時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式：us / 58二厘米或是測(cè)試距離=（高電平時(shí)間 聲速（340m/s）/ 2。 4無(wú)線通信模塊 （1）

26、選型比較 現(xiàn)在比較成熟的無(wú)線通信技術(shù)主要有 ZigBee藍(lán)牙和WiFi。下面就這三種 無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行比較，看哪種無(wú)線技術(shù)更適合應(yīng)用于智能體重儀的控制方案 Zigbee的主要優(yōu)點(diǎn)有功耗低、成本低、掉線率低和組網(wǎng)能力強(qiáng)，缺點(diǎn)主要有 傳播距離近，數(shù)據(jù)信息傳輸速率低和會(huì)有延時(shí)性。 藍(lán)牙的主要優(yōu)點(diǎn)有功耗低且傳輸速率快， 建立連接的時(shí)間短，穩(wěn)定性好，安 全度高，缺點(diǎn)主要有數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮∈芟蓿?設(shè)備連接數(shù)量少，藍(lán)牙設(shè)備的單一連 接性。 WiFi的主要優(yōu)點(diǎn)有傳輸范圍廣，傳輸速度快，健康安全，普及應(yīng)用度高， 缺點(diǎn)主要有功耗太大，體積太大。 經(jīng)過(guò)這三種無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較，并結(jié)合制定的控制方案可以看出， 由

27、于智能體重儀的通信對(duì)象是手機(jī)，用手機(jī)來(lái)接收數(shù)據(jù)，而手機(jī)中沒(méi)有內(nèi)置的 ZigBee接收模塊，所以只能在藍(lán)牙或 WiFi中選擇。而又由于本項(xiàng)目中的智能體 重儀采用電池供電的形式，所以最后選擇低功耗的藍(lán)牙模塊作為智能體重儀的無(wú) 線通信模塊。 經(jīng)過(guò)比較市場(chǎng)上各種藍(lán)牙模塊，最后選擇了ELET114A藍(lán)牙雙模模塊。 該模塊參數(shù)如下： 支持IOS和An droid系統(tǒng) 支持BT3.0+EDR和BT4.0 (BLE Dual - Mode，兩種模式可同時(shí)工作 支持 UART SP、I2C、I2S 等接口 工作電壓：3.3V 工作電流：小于20mA 由于該智能體重儀需要通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸數(shù)據(jù)給手機(jī)，而現(xiàn)在的智能手

28、機(jī)系 統(tǒng)都是IOS或An droid，而該模塊兩個(gè)系統(tǒng)都能支持，所以完全符合要求。 ELET114A藍(lán)牙雙模模塊實(shí)物圖如下圖11所示: 由實(shí)物圖可以看出，該模塊有34個(gè)引腳，具體引腳的定義圖如下圖12所示: Print Antenna Ad2 藍(lán)牙雙模模塊 BIOS AJO) BIOS AO4 ELET114A BI04 IC_DATA 003 ICECLIC BID2 Resei* BI01 VCC Bioa GNDQ AC BC7 叭兀IX UART_RX UAffT_CTS UART RTS BI011 BJ010 BI09 Bioa =OIV 口 EOK ss zcw SOS j3 3

29、2 34 34 圖12藍(lán)牙模塊引腳圖 由于一般選擇單片機(jī)上的串口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，所以在這主要介紹和串 口有關(guān)的幾個(gè)引腳，其余引腳暫時(shí)不討論。 UART_TX: UAR數(shù)據(jù)發(fā)送輸出腳 UART_RX: UAR數(shù)據(jù)接收輸入腳 UART_CTS: UAR清發(fā)送輸入腳 UART_RTS: UAR請(qǐng)求發(fā)送輸入腳 AIO1： BT_WAKEUP數(shù)字輸入腳，MCU喚醒藍(lán)牙模塊 0:低電平 藍(lán)牙模塊進(jìn)入休眠省電模式 1:高電平喚醒藍(lán)牙模塊 AI02: CMD/DATA_SWITC,數(shù)字輸入腳，切換數(shù)據(jù)模式和命令模式 0:低電平數(shù)字模式 1:高電平命令模式 AIO3: HOST_WAKEU,P數(shù)字輸出腳，藍(lán)

30、牙模塊喚醒 MCU 0:輸出低電平，表示串口沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送到 MCU 1：輸出高電平，表示串口有數(shù)據(jù)發(fā)送到 MCU VCC外部電源3.3V輸入 GND:電源地 （2）功能實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)通過(guò)UART串口發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊之間的通信，需要使用 的AT指令主要有以下幾個(gè)： 表5藍(lán)牙模塊部分AT指令 功能 AT命令 返回結(jié)果 說(shuō)明 設(shè)置本地SPP設(shè)備 名 AT+DNAME=name” OK name為設(shè)備名 查詢本地設(shè)備名 AT+DNAME?vCR +DNAME: namev LF ：name為當(dāng)前設(shè)備名 設(shè)置默認(rèn)配對(duì)碼 AT+PIN=1234”vCR OK 1234為默認(rèn)配對(duì)碼 查詢配對(duì)碼 AT

31、+PIN? +PIN: 設(shè)置波特率 AT+URATE=115200 2K 波特率設(shè)置為 115200 查詢波特率 AT+URATE? +URATE:115200 5顯示模塊 (1)選型比較 數(shù)據(jù)顯示是體質(zhì)儀的一項(xiàng)重要功能，是人機(jī)交換的重要組成部分，它可 以將測(cè)量電路測(cè)得的體重和身高數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微處理器處理后直觀的顯示出來(lái)。 數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案可供選擇：一是LED數(shù)碼管顯示，二是 LCD液晶顯示。 本方案選擇4位LED數(shù)碼管顯示模塊，理由如下：LED數(shù)碼管一般只 適合數(shù)字顯示，本設(shè)計(jì)中由于體重和身高都是數(shù)字形式的數(shù)據(jù)，因此選擇 LED數(shù)碼管合適；且身高、體重一般在3位數(shù)，考慮到后期設(shè)計(jì)的

32、精度問(wèn)題， 因此選擇4位；LED數(shù)碼管相對(duì)于LCD液晶顯示亮度高，成本低，程序、 電路簡(jiǎn)單。 LED數(shù)碼管模塊實(shí)物圖如下圖所示： 圖13數(shù)碼管實(shí)物圖 4位LED數(shù)碼管相關(guān)參數(shù)如下: 1. 采用2片595驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，需要單片機(jī)3路10 口，根據(jù)數(shù)碼管動(dòng)態(tài) 掃描原理進(jìn)行顯示； 2. 寬工作電壓3.3V到5V； 3. PCB板尺寸：71mm*22mm 4. 數(shù)碼管型號(hào)：0.36 4位共陽(yáng) (2)功能實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)碼管是由多個(gè)發(fā)光二極管封裝在一起組成“ 8”字型的器件，引線已 在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個(gè)筆劃，公共電極。LED數(shù)碼管常用段數(shù)一 般為7段有的另加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。圖14這是一個(gè)7段兩位

33、帶小數(shù)點(diǎn)10引腳的LED 數(shù)碼管，每一筆劃都是對(duì)應(yīng)一個(gè)字母表示 DP是小數(shù)點(diǎn)。 A 圖14數(shù)碼管段數(shù) 數(shù)碼管分為共陽(yáng)極的LED數(shù)碼管、共陰極的LED數(shù)碼管兩種。本方案選擇的 是共陽(yáng)極的LED數(shù)碼管，共陽(yáng)就是7段的顯示字碼共用一個(gè)電源的正極。 圖15數(shù)碼管引腳示意圖 從上圖可以看出，要是數(shù)碼管顯示數(shù)字，有兩個(gè)條件：1是要在丁端(3/8 腳)加正電源；2、要使(a,b,c,d,e,f,g,dp) 端接低電平或“ 0”電平，這樣才 能顯示。 共陽(yáng)極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖圖16： 卄dr*-軒S-1時(shí)dn! dvr*I 圖16共陽(yáng)極LED數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖 LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)

34、電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯 示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和 動(dòng)態(tài)式兩類。本方案所選擇的數(shù)碼管采用的是動(dòng)態(tài)式。 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū) 動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端連在一起，另 外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM曾加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼， 但究竟是 那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通 COK端電路的控制，所以我 們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)， 該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù) 碼管就不會(huì)亮。 透過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管