智能型BMI體重指數(shù)測試儀的設(shè)計與制作畢業(yè)設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計（2012屆）題 目智能型BMI體重指數(shù)測試儀的設(shè)計與制作學(xué) 院專 業(yè)班 級學(xué) 號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文智能型BMI體重指數(shù)測試儀的設(shè)計與制作均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 2012 年 05 月 09日杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計摘 要本設(shè)計主要設(shè)計BMI（Body Mass Index，身體質(zhì)量指數(shù)）體重測試儀系統(tǒng)的信號處理過程，繼而實現(xiàn)整個BMI體重測試。BMI體重測試儀系統(tǒng)主要包括稱重傳感器、放大器、信號處理過程和液晶顯示是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。B

2、MI測試過程：由傳感器采集的電信號，經(jīng)過一系列的信號處理過程和輸入的身高值，由BMI=體重（kg）/(身高2)得到最終的結(jié)果。傳感器由兩個50kg的半橋稱重傳感器組成全橋，其稱量范圍是100kg。BMI值最終由采集到的體重和用戶輸入的身高決定。本BMI體重測試儀系統(tǒng)主要是由帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機STC12C5A16S2控制單元，由電阻式應(yīng)變片獲取電信號，經(jīng)AD620放大器、按鍵、顯示模塊以及軟件程序來完成整個稱重系統(tǒng)。本設(shè)計運用LCD1602液晶分兩行顯示采集到體重值，用戶輸入的身高值和經(jīng)系統(tǒng)處理過的BMI值和用戶的身體質(zhì)量狀況，其直觀、易讀的特點將會受到用戶的熱愛。顯然由單片機控制的體重秤

3、具備使用方便，直觀，測量準確，成本低等特點。此外，隨著現(xiàn)代社會隨著人們生活水平的提高，人們對自己的身體健康越來越關(guān)注，為此BMI體重測試儀越來越凸顯出了其廣泛的市場前景受。若BMI體重測試儀廣泛地使用在家庭生活中，將會為提高我國的人民的身體素質(zhì)及延長平均壽命做出巨大貢獻。關(guān)鍵字：BMI；體重計；STC12C5A16S2；稱重傳感器；AD620ABSTRACTThis design mainly the design signal processing system of BMI weight tester, then realize the entire BMI weight test. BM

4、I weight tester system mainly including weighing transducer, amplifiers, signal processing and liquid crystal display is the key to the whole system. BMI test process: from sensors to collect the electrical signals, after a series of signal processing and input height value, by BMI = weight (kg) / (

5、height 2) get the final outcome. The whole bridge weighing transducers composition of two 50kg half bridge weighing transducers and its range is weighing 100kg. BMI eventually is decided by the collected weight and the height of the user.The BMI weight tester system is mainly composed of taking A/D

6、conversion function of the single chip microcomputer STC12C5A16S2 control units, by the resistance strain gauge type for electrical signal ,through the process of amplifier AD620, buttons, display module and software program to complete the whole weighing system. This design uses LCD1602 to display

7、the collected weight value, the user input height value and the system with the body mass index (BMI) and the user's healthy condition .the intuitive and easy to read characteristics will be lively loved by users.Obviously the single-chip microcomputer control weight scales have characteristics

8、of conveniently use, intuitive, high measurement accuracy, low cost etc. In addition, in modern society with the improvement of people's living standard, people take more and more attention on their health, therefore BMI weight tester more and more brings out its widespread market prospect. If t

9、he BMI weight tester widely used in the family, it wills be to improve our people's physical quality and made great contribution to extend life expectancy.Keywords: BMI；weight tester；STC12C5A16S2；weighing transducer；AD620 目 錄1引言12概述22.1電子稱概述22.2本設(shè)計方案思路32.3研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵42.4主要技術(shù)指標43系統(tǒng)方法論證與選型53.1控制器部分5

10、3.2數(shù)據(jù)采集部分的選擇63.2.1傳感器的選擇63.2.2放大電路的選擇93.3顯示部分104硬件設(shè)計134.1主控器電路134.2信號采集、放大電路164.3顯示電路本設(shè)計174.4系統(tǒng)完成工作過程195軟件設(shè)計205.1總體方案205.2A/D轉(zhuǎn)換部分程序流圖205.3LCD顯示部分程序215.4按鍵程序流圖226制作與調(diào)試246.1硬件電路的布線與焊接246.1.1總體特點246.1.2電路劃分246.1.3焊接246.2實物圖246.3誤差分析267結(jié)論27致謝28參考文獻29附錄A系統(tǒng)電路圖與PCB制板圖31附錄B系統(tǒng)程序321 引言體重秤可以分為電子體重秤和機械體重秤 ，還可以分

11、為帶身高尺的體重秤和不帶身高尺的體重秤。體重稱是衡器使用功能中的一個分類，物美價廉，可以幫助人們有效的監(jiān)視自己的體重變化，新產(chǎn)品還可以檢測自己的脂肪含量，而且還有一些人性化的附屬功能。 現(xiàn)代社會隨著人們生活水平的提高，人們對自己的身體健康越來越關(guān)注，而身高和體重比例又是衡量身體健康與否的一個重要標準，因此用一臺體重計定期測量自己的體重是否合格成為關(guān)注自我的一個標志。 傳統(tǒng)的體重秤是儀表形式的，不僅測量的誤差比較大，而且讀數(shù)很不方便，體積上會占用更多的空間。而電子衡器總的發(fā)展趨勢向著小型化、模塊化、集成化、智能化方向發(fā)展；其技術(shù)性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量

12、的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。因此電子秤取代機械秤是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然規(guī)律。低成本、高智能化的電子體重秤體現(xiàn)出來了其廣泛的市場前景。在我國，集多能于一體的體重秤還并沒大量普及。可以預(yù)見，多功能，智能化體重秤技術(shù)必將隨著我國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而逐步完善和成熟，廣泛地使用在家庭生活中，將會為提高我國的人民的身體素質(zhì)及延長平均壽命做出巨大貢獻。本設(shè)計主要設(shè)計BMI體重測試儀系統(tǒng)的信號處理過程，由帶A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機STC12C5A16S2控制單元，由電阻式應(yīng)變片獲取電信號，經(jīng)AD620放大器、按鍵、顯示模塊以及軟件程序來完成整個稱重系統(tǒng)。選擇LCD160

13、2顯示，突出了直觀易讀的特點。2 概述2.1 電子稱概述衡器（weighing machine），是計量器具的一個重要組成部分。過去人們稱計量為'度量衡'。所謂度，是指用尺（如古時的骨尺、牙尺及以后漸次問世的竹尺、木尺、皮尺、鋼尺等）測量物體的長短；所謂量，是指用容器（如古時的合、升、斗、斛及以后使用的量桶、量杯等）測量物體的體積；所謂衡，則是指測量物體重量。 衡，應(yīng)始于原始社會末期，據(jù)史料記載距今已有4000多年，當時出現(xiàn)了物品交換，但計量方法則是靠眼看手摸；而作為計量重量的器具 -衡器，在我國最早出現(xiàn)于夏朝；春秋戰(zhàn)國時期已掌握了杠桿原理，戰(zhàn)國中期在楚中一帶已廣泛使用天平和砝

14、碼稱量黃金，但在相當長的時期內(nèi)計量標準不一，較為混亂，直到秦統(tǒng)一天下后，于秦始皇二十六年實行商鞅變法（公元前221年），才統(tǒng)一了度量衡標準；宋朝時期出現(xiàn)了準確度達到1厘（40mg）的戥秤，標志著當時的衡器已具有相當可觀技術(shù)水準。衡器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、醫(yī)療衛(wèi)生等部門。衡器是利用力的形變平衡原理（胡克原理）或力的杠桿平衡原理測定物體質(zhì)量的。形變平衡根據(jù)被測物自身重量所引起的彈性體形變量來測定被測物質(zhì)量，形變量隨著重力加速度的變化而變化；杠桿平衡根據(jù)標定砝碼重量與被測物重量在杠桿上的平衡來測定被測物質(zhì)量。杠桿平衡與重力加速度的變化無關(guān)，但在重力加速度等于零時，衡量失效。衡器按結(jié)構(gòu)原理

15、可分為機械秤、電子秤、機電結(jié)合秤三大類。電子秤是電子衡器中的一種，衡器是國家法定計量器具，是國計民生、國防建設(shè)、科學(xué)研究、內(nèi)外貿(mào)易不可缺少的計量設(shè)備，衡器產(chǎn)品技術(shù)水平的高低，將直接影響各行各業(yè)的現(xiàn)代化水平和社會經(jīng)濟效益的提高。因此，稱重技術(shù)的研究和衡器工業(yè)的發(fā)展各國都非常重視。50年代中期電子技術(shù)的滲入推動了衡器制造業(yè)的發(fā)展。60年代初期出現(xiàn)機電結(jié)合式電子衡器以來，隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計算機等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。經(jīng)過40多年的不斷改進與完善，衡器技術(shù)也在不斷進步和提高1。從世界水平看，衡器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了四個階段，從傳統(tǒng)的全部由機

16、械元器件組成的機械稱到用電子線路代替部分機械元器件的機電結(jié)合秤，再從集成電路式到目前的單片機系統(tǒng)設(shè)計的電子計價秤。中國的衡器行業(yè)是一個具有漫長發(fā)展歷史的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和重要的基礎(chǔ)行業(yè)。改革開放后，中國衡器行業(yè)有了較快的發(fā)展，衡器工業(yè)的管理體制、行業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)水平以及在國民經(jīng)濟中所處的地位更是變化巨大。多年以來，中國都是以機械衡器為主，二十世紀八十年代開始擴大對電子衡器的使用和對大型自動衡器的研制，中國現(xiàn)已能夠獨立設(shè)計制造精度高、運行快、計量準確的各種電子衡器。我國電子衡器從最初的機電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。現(xiàn)今電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展：電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動態(tài)

17、稱重發(fā)展；計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展1。常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實驗和應(yīng)用工程的自動化程度得以顯著提高。現(xiàn)代社會隨著人們生活水平的提高，人們對自己的身體健康越來越關(guān)注，而身高和體重比例又是衡量身體健康與否的一個重要標準，因此用一臺體重計定期測量自己的體重是否合格成為關(guān)注自我的一個標志。 傳統(tǒng)的體重秤是儀表形式的，不僅測量的誤差比較大，而且讀數(shù)很不方便，體積上會占用更多的空間。而電子衡器總的發(fā)展趨勢向

18、著小型化、模塊化、集成化、智能化方向發(fā)展；其技術(shù)性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性2。因此電子秤取代機械秤是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然規(guī)律。低成本、高智能化的電子體重秤體現(xiàn)出來了其廣泛的市場前景。此外，由于科技高速發(fā)展和應(yīng)用水平提高，衡器產(chǎn)品數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化將成為世界衡器工業(yè)的發(fā)展方向和重點。中國應(yīng)用高技術(shù)含量的先進衡器，還處在依賴進口解決供應(yīng)的階段，因此，在技術(shù)含量高的衡器產(chǎn)品領(lǐng)域，中國的衡器制造企業(yè)有著巨大的發(fā)展空間。另外，隨著國內(nèi)消費水平和工業(yè)經(jīng)濟的持續(xù)增長，衡器產(chǎn)品的國內(nèi)需

19、求將進一步拉升。2.2 本設(shè)計方案思路我國工業(yè)現(xiàn)代化的進程和電子信息產(chǎn)業(yè)以20%以上的速度連續(xù)高速增長，專用電子設(shè)備中的應(yīng)用也快速增長，所用傳感器占市場份額的15%左右。為此，運用傳感器制作電子產(chǎn)品的趨勢越來越明顯，其市場前景也越來越被看好?；谏鲜霰尘?，本設(shè)計以實現(xiàn)信號的良好采集、放大、傳輸為主要目的；以電信號的轉(zhuǎn)換，信號的處理及控制顯示為主要設(shè)計內(nèi)容，以此實現(xiàn)智能化、直觀化、便于用戶使用的BMI體重測試儀的測試系統(tǒng)。在信號采集方面設(shè)計用稱重傳感器采集弱電信號，由于采集的信號只有mV級，故而設(shè)計了小信號的放大電路和信號的濾波電路以此保證能夠采集到良好的信號和便于下級單片機易于處理的信號；在A

20、/D轉(zhuǎn)換方面，由于單片機自身帶有8位和10位轉(zhuǎn)換功能，為了能夠得到高精度的體重值，為此采用10位的A/D轉(zhuǎn)換功能對其進行轉(zhuǎn)化。對信號的處理控制上，由功能鍵、加鍵、減鍵控制器和單片機的計算處理使其在LCD上顯示。2.3 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵(1) 小信號的采集和放大，放大器的運用；(2) A/D轉(zhuǎn)換功能的運用和處理；(3) 單片機控制數(shù)據(jù)處理，LCD液晶顯示；(4) 人機交互鍵面的控制、轉(zhuǎn)換；2.4 主要技術(shù)指標(1) 系統(tǒng)工作電壓：直流5V(2) 稱重傳感器稱重范圍：0-100kg(3) 放大器AD620對小信號的放大倍數(shù)：G=500(4) 傳感器滿量程輸出：10mV(5) 傳感器綜合誤差：0.

21、2%(6) 測量精度：10kg/mV3 系統(tǒng)方法論證與選型3.1 控制器部分考慮到本設(shè)計資源的利用率、成本等因素，故而只需要普通的51單片機即可實現(xiàn)BMI測試系統(tǒng)的功能。但是硬件電路的制作過程中，由于稱重傳感器所采集的電信號是模擬信號必須對其模-數(shù)轉(zhuǎn)換。然而如果選取AD0809芯片必然增加設(shè)計成本，也使得設(shè)計電路變得復(fù)雜，PCB板可能出現(xiàn)跳線等問題增加硬件制作的難度等等。而且現(xiàn)增強板的帶模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的51單片機已經(jīng)很多了，而且價位和普通的單片機差不多，A/D運用起來也比較簡單，故而本設(shè)計我選取了帶A/D的STC12C5A60S23。STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技

22、生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S，即250萬次/秒),針對電機控制，強干擾場合。STC12C5A60S2系列單片機帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器,速度可達到250KHz(25萬次 /􃀂秒)。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中

23、的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用。其ADC由多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(ADC_RES和ADC_RESL)以及ADC_CONTR構(gòu)成。STC12C5A60S2系列單片機的ADC是逐次比較型ADC。逐次比較型ADC由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位(MSB)開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點。STC12C5A60S2通過模擬多路開關(guān)，將通過ADC07的模擬量輸入送給比較

24、器。用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換的模擬量與本次輸入的模擬量通過比較器進行比較，將比較結(jié)果保存到逐次比較器，并通過逐次比較寄存器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同時，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位ADC_FLAG,以供程序查詢或發(fā)出中斷申請。模擬通道的選擇控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2 CHS0確定。ADC的轉(zhuǎn)換速度由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0確定。在使用ADC之前，應(yīng)先給ADC上電，也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。3.2 數(shù)據(jù)采

25、集部分的選擇數(shù)據(jù)采集部分由稱重傳感器和信號放大器和采樣保持電路組成。3.2.1 傳感器的選擇傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器可分為應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器等等。各種傳感器的性能如下：(1) 應(yīng)變式傳感器4應(yīng)變式傳感器的工作原理是，機械彈性結(jié)構(gòu)體受力變形時產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)。這種應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)由電阻應(yīng)變片完成檢測，應(yīng)變片的電阻變化再由電橋完成信號的轉(zhuǎn)換，并最終輸出與彈性體受力成對關(guān)系的電信號。應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點是精度高，測量范圍廣，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下

26、工作，易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。缺點是對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可采取一定的補償措施。(2) 電感式傳感器4電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測的物理量如位移，壓力，流量，振動等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，分辨力高，位移小；精度高，線性特性好，非線性誤差小；性能穩(wěn)定，重復(fù)性好；結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高、壽命長；能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制等。缺點是存在交流零位信號，不適于高頻動態(tài)信號測量等。(3) 電容式傳感器電

27、容式傳感器的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為e的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為C=2eL/lnD/d，式中L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。在實際測量中D、d、e是基本不變的，故測得C即可知道液位的高低。如圖（1）所示：圖1圓筒形電容器電容器傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，靈敏度高，零磁滯，真空兼容，過載能力強，動態(tài)響應(yīng)特性好和對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應(yīng)性強等。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較

28、復(fù)雜等。在選擇傳感器時必須根據(jù)傳感器的性能參數(shù)：稱重量程、額定壓力范圍、最大壓力范圍、損壞壓力、 線性度、溫度范圍以及各種傳感器的優(yōu)缺點等來選取最適合本設(shè)計的傳感器，特別是要注意稱重量程、最大壓力范圍、損壞壓力由此選擇傳感器。(1) 額定壓力范圍額定壓力范圍是滿足標準規(guī)定值的壓力范圍。也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實際應(yīng)用時傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。(2) 最大壓力范圍最大壓力范圍是指傳感器能長時間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變。特別是半導(dǎo)體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會

29、被損壞。一般最大壓力是額定壓力最高值的2-3倍。(3) 溫度范圍壓力傳感器的溫度范圍分為補償溫度范圍和工作溫度范圍。補償溫度范圍是由于施加了溫度補償，精度進入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍。工作溫度應(yīng)保證在常溫下正常工作。(4) 損壞壓力 損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。 (5) 壓力遲滯 為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時，傳感器輸出之差。綜合上述各種傳感器的特點，選擇了壓力傳感器，然壓力傳感器的種類也很多包括電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電

30、感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。本設(shè)計選擇了電阻應(yīng)變式稱重傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器4工作原理：電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。如圖2所示為其主要的工作原理：當直流供電的平衡電阻電橋的電阻發(fā)生變化時，從而轉(zhuǎn)化為電阻兩端的輸出電壓變化為下一步數(shù)據(jù)處理作準備。圖2稱重傳感器電路原理圖輸出電壓計算公式： （1）當,時，輸出電壓： （2）本設(shè)計選用適合稱重的壓力傳感器，即量程50kg的兩個半橋稱重傳感器組成量程是100kg的全橋電路

31、。用法完全與50千克的半橋稱重傳感器相同，僅僅是量程很輸出最大幅度增大了2倍。50kg半橋式稱重傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所示：表1 50kg半橋式稱重傳感器技術(shù)參數(shù)表 量程(kg)   50 綜合誤差(%F.S) 0.2 額定輸出溫度飄移(%F.S/10)   0.15 靈敏度(mv/v) 0.9±0.1 零點輸出(mV/V) ±0.3 非線性(%F.S)  0.2 輸入電阻( ) 1000±50續(xù)表

32、1 50kg半橋式稱重傳感器技術(shù)參數(shù)表 重復(fù)性(%F.S) 0.1 輸出電阻( ) 1000±50  滯后(%F.S)    0.2 絕緣電阻(M) 2000(100VDC)  蠕變(%F.S/3min)  0.1 推薦激勵電壓(V) 510  零點漂移(%F.S/1min) 0.1 工作溫度范圍 () -10+50  零點溫度漂移(%F.S/10)

33、0; 0.2 過載能力(%F.S)   1503.2.2 放大電路的選擇稱重傳感器輸出電壓振幅范圍010mV。而A/D轉(zhuǎn)換的STC12C5A60S2單片機是以單片機的實際工作電壓5V來做模擬參考電壓的，故其輸入電壓要求為05V，因此放大環(huán)節(jié)要有500倍左右的增益。而且在簡單系統(tǒng)中絕對精度和漂移誤差是放大電路最主要的誤差來源。為此即使很小的干擾信號也會嚴重的影響輸出結(jié)果，繼而需要設(shè)計的電路必須要抑制共模信號，為此本設(shè)計采用差分放大器AD620芯片作為放大電路的主芯片。AD620的優(yōu)點：(1) 低成本；(2) 無論用于何種系統(tǒng)都能提供更低功耗（最大

34、工作電流只有1.3mA）、更低成本、更高的精度的放大器；(3) 放大器電路本身僅需設(shè)置一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至10000；(4) 高精度（最大非線性度40ppm）、低失調(diào)電壓（最大50uV）和低失調(diào)漂移（最大0.6uV/°C）特性，是電子稱和傳感器接口等精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想之選。AD620其工作原理如圖3所示：圖3AD620內(nèi)部結(jié)構(gòu)輸入晶體管Q1和Q2提供一路高精度差分對雙極性輸入如圖3，同時由于采用SuperBeta處理，因此輸入偏置電流減小10倍。反饋環(huán)路Q1-A1-R1和Q2-A2-R2使的輸入器件Q1和Q2的集電極電流保持恒定，從而可將輸入電壓作用于外部增益設(shè)

35、置電阻RG上。這樣就產(chǎn)生了從輸入至A1/A2輸出的差分增益，其計算公式為G=（R1+R2）+1。單位增益減法器A3用來消除任何共模信號，以獲得折合到REF引腳單位的單端輸出。(1) RG值還可以決定前置放大器級的跨導(dǎo)。當減小RG以獲得更大增益時，該跨導(dǎo)將漸近增大到輸入晶體管的跨導(dǎo)。這就會帶來三大好處：(2) 開環(huán)增益提升以提供更大的編程增益，從而減小與增益相關(guān)的誤差；(3) 增益帶寬積（由C1、C2和前置放大器跨導(dǎo)決定）隨著編程增益提高而增大，從而優(yōu)化頻率響應(yīng)；(4) 輸入電壓噪聲降至9nV/Hz，它主要由輸入器件的集電極電流和基極電阻決定。AD620內(nèi)部增益電阻R1和R2已調(diào)整至絕對值24.

36、7 k，因此增益公式如公式（3）所示，外接電阻計算公式如公式（4）所示： （3） （4）3.3 顯示部分顯示器的選擇直接關(guān)系用戶是否會選擇你所生產(chǎn)的產(chǎn)品，為此在選擇顯示器其必須要直觀，易讀，清晰以方便普通用戶使用。方案一：數(shù)碼管顯示數(shù)碼管顯示直觀易懂，但是只可顯示數(shù)據(jù)，不能顯示文字或圖像。數(shù)碼管比較廉價，驅(qū)動電路簡單，壽命較長，且不易出現(xiàn)故障，但在背景光較強的時候顯示不清晰，耗電比較高。不符合本系統(tǒng)低功耗的設(shè)計原則。的優(yōu)點是亮度高、顯示大、驅(qū)動部份的軟件簡單等。缺點是耗電及體積大等。方案二：液晶顯示液晶顯示具有以下的優(yōu)點：(1) 顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和

37、亮度，恒定發(fā)光，而不象陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高而且絕對不會閃爍，把眼睛疲勞降到最低。(2) 沒有電磁輻射傳統(tǒng)顯示器的顯示材料是熒光粉，通過電子束撞擊熒光粉而顯示，電子束在打到熒光粉上的一剎那間會產(chǎn)生強大的電磁輻射。液晶顯示器在防止輻射方面具有先天的優(yōu)勢，因為它根本就不存在輻射。在電磁波的防范方面，液晶顯示器也有自己獨特的優(yōu)勢，它采用了嚴格的密封技術(shù)將來自驅(qū)動電路的少量電磁波封閉在顯示器中，而普通顯示器為了散發(fā)熱量的需要，必須盡可能地讓內(nèi)部的電路與空氣接觸，這樣內(nèi)部電路產(chǎn)生的電磁波也就大量地向外“泄漏”了。(3) 可視面積大對于相同尺寸的顯示器來說，

38、液晶顯示器的可視面積要更大一些。液晶顯示器的可視面積跟它的對角線尺寸相同。陰極射線管顯示器顯像管前面板四周有一英寸左右的邊框不能用于顯示。 (4) 廣泛應(yīng)用逐步應(yīng)用于液晶電視、攝像機的液晶顯示器、掌上游戲機上。而隨后出現(xiàn)的DSTN和TFT則被廣泛制作成電腦中的液晶顯示設(shè)備，DSTN液晶顯示屏用于早期的筆記本電腦；TFT則既應(yīng)用在筆記本電腦上（現(xiàn)在大多數(shù)筆記本電腦都使用TFT顯示屏），又用于主流臺式顯示器上。(5) 畫面效果好與傳統(tǒng)顯示器相比，液晶顯示器一開始就使用純平面的玻璃板，其顯示效果是平面直角的，讓人有一種耳目一新的感覺。而且液晶顯示器更容易在小面積屏幕上實現(xiàn)高分辨率。(6) 數(shù)字式接口

39、液晶顯示器都是數(shù)字式的，使用液晶顯示器不需要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號再行輸出從而使色彩和定位都更加準確完美。 (7) 功率消耗小傳統(tǒng)的顯示器內(nèi)部由許多電路組成，這些電路驅(qū)動著陰極射線顯像管工作時，需要消耗很大的功率，而且隨著體積的不斷增大，其內(nèi)部電路消耗的功率肯定也會隨之增大。相比而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比傳統(tǒng)顯示器也要小得多。(8) “身材”勻稱小巧液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示目的，即使屏幕加大，它的體積也不會成正比的增加，而且在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。同時液晶顯示也存在著以下的缺點：(1) 可視偏轉(zhuǎn)角度

40、過小液晶顯示器可視偏轉(zhuǎn)角度有限，往往是只能從正面觀看，從側(cè)面看就會出現(xiàn)較大的亮度和色彩失真。(2) 容易產(chǎn)生影像拖尾現(xiàn)象足夠快的響應(yīng)時間才能保證畫面的連貫。目前，市面上一般的液晶顯示器，響應(yīng)時間與以前相比已經(jīng)有了很大的突破，一般為40ms左右。但有個別LCD產(chǎn)品響應(yīng)時間不夠短，導(dǎo)致顯示運動畫面時會產(chǎn)生影像拖尾的現(xiàn)象。(3) 液晶顯示器的亮度和對比度不是很好由于液晶分子不能自己發(fā)光，所以，液晶顯示器需要靠外界光源輔助發(fā)光。(4) 液晶“壞點”問題液晶顯示屏的材料一般采用玻璃，很容易破碎，再加上每一個像素都十分細小，常常會造成個別的像素壞掉的現(xiàn)象，俗稱“壞點”，這是無法維修的，只有更換整個顯示屏，

41、而更換的價格往往十分昂貴。(5) 壽命有限液晶顯示器不像普通顯示器那么耐用。一般認為兩到三年是正常壽命，因而在購買時要考慮兩三年后是否愿意再次更換顯示器。本設(shè)計所需顯示的部分包括采集處理的體重值，輸入的身高值，控制器處理過的BMI值以及BMI標準的檢測結(jié)果這四個部分。為此，考慮到資源的利用率和成本，我選擇了使用LCD1602分兩行顯示。LCD1602比數(shù)碼管直觀，易操作，而且具有人性化的交互鍵面。LCD1602兩行顯示RAM地址映射圖如圖4所示：如圖4 RAM地址映射圖4 硬件設(shè)計工作原理： 當人站在體重秤上時，由于壓力使得稱重傳感器的薄片變形而產(chǎn)生壓電阻抗效果，從而使阻抗的變化轉(zhuǎn)換成電信號。

42、該信號經(jīng)前置放大電路放大輸出到采樣保持。因為采集的信號是模擬信號其不穩(wěn)定，故而需要用到采集保持電路將模擬信號輸送入帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機。由單片機將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CPU根據(jù)鍵盤命令以及等待人輸入本人的身高通過程序處理后將結(jié)果輸出到液晶顯示器上。驅(qū)動顯示模塊，此部分主要由軟件設(shè)計部分完成。報警電路是根據(jù)各個器件及系統(tǒng)指標由軟件設(shè)計控制其稱重范圍。系統(tǒng)原理框圖如圖5下所示：稱重傳感器濾波電路放大電路帶A/D轉(zhuǎn)換的CPU處理器顯示電路超標報警復(fù)位電路按鍵圖5系統(tǒng)原理框圖本次硬件設(shè)計采用的是Altium Designer 6 軟件制作PCB板的。Altium Designer 6 Protel

43、軟件的原廠商 Altium公 司推出了Protel系列的最新高端版本，是完全一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)的一個新版本，也是業(yè)界第一款也是唯一一種完整的板級設(shè)計解決方案。Altium Designer除了全面繼承包括99SE，Protel2004在內(nèi)的先前一系列版本的功能和優(yōu)點以外，還增加了許多改進和很多高端功能，從而使用戶使用起來更加得心應(yīng)手。整個系統(tǒng)電路如附錄所示。4.1 主控器電路主控制器是STC12C5A60S2單片機，最小系統(tǒng)由起振電路和復(fù)位電路組成。主控電路如圖6所示圖6主控電路STC12C5A60S2單片機（工作電壓： 5.5V - 3.5V（5V單片機）; 工作頻率范圍：035MHz）

44、管腳功能：P0.0 P0.7 P0 ： P0口既可作為輸入/輸出口，也可作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用。當P0口作為輸入/輸出口時，P0是一個8位準雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，無需外接上拉電阻。當P0作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用時，是低8位地址線A0A7，數(shù)據(jù)線的D0D7。P1.0/ADC0/CLKOUT2：P1.0是標準I/O口 PORT10 ；ADC0是 ADC 輸入通道-0；CLKOUT2 是獨立波特率發(fā)生器的時鐘輸出可通過設(shè)置WAKE_CLKO2位/BRTCLKO將該管腳配置為CLKOUT2 P1.1/ADC1：P1.1是標準I/O口 PORT11 ；ADC1是 ADC 輸入通道-1P1.2/

45、ADC2/ECI/RxD2 ：P1.2是標準I/O口 PORT12 ；ADC2是 ADC 輸入通道-2；ECI是PCA計數(shù)器的外部脈沖輸入腳；RxD2是第二串口數(shù)據(jù)接收端。P1.3/ADC3/CCP0/TxD2：P1.3是標準I/O口 PORT13 ；ADC3是 ADC 輸入通道-3；CCP0是外部信號捕獲(頻率測量或當外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出；TxD2是第二串口數(shù)據(jù)發(fā)送端。P1.4/ADC4/CCP1/SS：P1.4是標準I/O口 PORT14 ；ADC4是 ADC 輸入通道-4；CCP1是外部信號捕獲(頻率測量或當外部中斷使用)、高速脈沖輸出及脈寬調(diào)制輸出；SS是SPI同

46、步串行接口的從機選擇信號。P1.5/ADC5/MOSI：P1.5是標準I/O口 PORT15 ；ADC5是 ADC 輸入通道-5；MOSI是SPI同步串行接口的主出從入(主器件的輸出和從器件的輸入) P1.6/ADC6/MISO：P1.6是標準I/O口 PORT16 ；ADC6是 ADC 輸入通道-6；MISO是SPI同步串行接口的主入從出(主器件的輸入和從器件的輸出) 。P1.7/ADC7/SCLK ：P1.7是標準I/O口 PORT17 ；ADC6是 ADC 輸入通道-7；SCLK 是SPI同步串行接口的時鐘信號。P2.0 P2.7 ：P2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入/輸出口，也可作為高

47、8位地址總線使用(A8 A15)。當P2口作為輸入/輸出口時，P2是一個8位準雙向口。P3.0/RxD ：P3.0 是標準I/O口 PORT30 ；RxD是串口1數(shù)據(jù)接收端。P3.1/TxD ：P3.1是標準I/O口 PORT31；TxD是串口1數(shù)據(jù)發(fā)送端。P3.2/INT0： P3.2是標準I/O口 PORT32 ；INT0 外部中斷0,下降沿中斷或低電平中斷P3.3/INT1 ：P3.3是標準I/O口 PORT33；INT1是外部中斷1,下降沿中斷或低電平中斷P3.4/T0/INT/CLKOUT0：P3.4是標準I/O口 PORT34；T0 定時器/計數(shù)器0的外部輸入；INT是定時器0下降

48、沿中斷；CLKOUT0是定時器/計數(shù)器0的時鐘輸出可通過設(shè)置WAKE_CLKO0位/T0CLKO將該管腳配置為CLKOUT0。P3.5/T1/INT/CLKOUT1 ：P3.5是標準I/O口 PORT35；T1是定時器/計數(shù)器1的外部輸入；INT是定時器1下降沿中斷；CLKOUT1是定時器/計數(shù)器1的時鐘輸出可通過設(shè)置WAKE_CLKO1位/T1CLKO將該管腳配置為CLKOUT1。P3.6/WR ：P3.6是標準I/O口 PORT36；R是外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖。P3.7/RD ：P3.7是標準I/O口 PORT37；RD是外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖。XTAL1：內(nèi)部時鐘電路反相放大器輸入端，接外部

49、晶振的一個引腳。當直接使用外部時鐘源時，此引腳是外部時鐘源的輸入端。XTAL2：內(nèi)部時鐘電路反相放大器的輸出端，接外部晶振的另一端。當直接使用外部時鐘源時，此引腳可浮空，此時XTAL2實際將XTAL1輸入的時鐘進行輸出。NA ：標準I/O口 ALE ：地址鎖存允許EX_LVD/RST2 ：EX_LVD是外部低壓檢測中斷/比較器；RST2是第二復(fù)位功能。RST：復(fù)位腳VCC：電源正極Gnd 負極。接地振蕩電路上使用12M晶振和兩個33pf的電容能夠使得單片機工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可保證溫漂等誤差。復(fù)位電路采用了10uf的電解電容使得能夠保證單片機上電復(fù)位的功能。也由于電容兩端的電壓不可突變，故而

50、防止單片機被錯誤復(fù)位。4.2 信號采集、放大電路信號采集電路主要由稱重傳感器獲取信號，即當人體站在電阻式壓力傳感器時，應(yīng)變電阻的變化將換為輸出電壓的變化，將信號輸送到下一電路進行處理。由于傳感器的滿量程輸出只有10mV，信號容易受外界干擾，應(yīng)對其采取濾波措施后再進行放大，不然其他干擾信號會被放大繼而影響最終測量結(jié)果。信號放大電路是由放大器AD620組成的，AD620只需要調(diào)整Rg來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)即可。AD620管腳圖如圖7下所示：圖7AD620管腳圖IN+/IN-：信號輸入引腳；RG：AD620外接電阻，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；+Vs/-Vs：AD620正負電源；REF：參考電壓；OUTPUT：輸出放大信

51、號端；信號采集放大電路圖如圖8下所示：圖8信號采集放大電路4.3 顯示電路本設(shè)計1602液晶模塊的引腳連線如圖9。其中，第1、2腳為液晶的驅(qū)動電源；第三腳VL為液晶的對比度調(diào)節(jié)，通過在VCC和GND之間接一個10K多圈可調(diào)電阻，中間抽頭接VL，可實現(xiàn)液晶對比度的調(diào)節(jié)；液晶的控制線RS、R/W、E分別接單片機的P0.5、P0.6、P0.7來控制單片機的讀寫數(shù)據(jù)指令；數(shù)據(jù)口接在單片機的P2口；BL+、BL-為液晶背光電源。S2，S3，S4按鍵分別與單片機P0.2，P0.3，P0.4來控制LCD1602上顯示的字符。圖9 LCD顯示控制電路LCD1602讀操作時序如圖10所示：圖10LCD1602讀

52、操作時序圖LCD1602寫操作時序如圖11所示：圖11LCD1602寫操作時序4.4 系統(tǒng)完成工作過程整個系統(tǒng)工作過程：由單片機P1.0口讀取數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由稱重傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為電信號而經(jīng)濾波、放大電路的處理得到，單片機得到數(shù)據(jù)后由P1口的第二功能將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號反饋回主函數(shù)，主函數(shù)將得到的數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)換為體重值，單片機在對體重值判讀，控制液晶顯示的內(nèi)容，若體重值為0則顯示0，若超量程則報警，如若正常，再處理按鍵程序讀取身高值，經(jīng)計算和處理顯示身高，BMI和身體體質(zhì)健康值。完整硬件電路設(shè)計圖12所示：圖12完整硬件電路設(shè)計圖5 軟件設(shè)計5.1 總體方案本設(shè)計采用C語言編程，編譯環(huán)境是Kei

53、l uVision3。Keil是德國Keil公司開發(fā)的單片機編譯器，是目前最好的51單片機開發(fā)工具之一。Keil C51是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。Keil C51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程，該集成系統(tǒng)可以編譯C源程序。單片機C語言和一般的C語言的語法結(jié)構(gòu)基本相同，也是采用函數(shù)結(jié)構(gòu)，大部分函數(shù)也相同。但是單片機的RAM相比計算機少很多，所以單片機C語言有自動覆蓋技術(shù)而且有優(yōu)化技術(shù)，可以最大限度減少代碼長度。軟件設(shè)計由系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、按鍵檢測控制顯示三個部分組成。軟件組成

54、圖如圖13所示：LCD1602程序A/D轉(zhuǎn)換按鍵主程序圖13 軟件組成圖BMI系統(tǒng)軟件工作流程：首先對單片機和LCD1602進行初始化，其次A/D轉(zhuǎn)換子程序中讀取獲得的體重值，再對體重值進行判斷。若體重值為0，則寫1602子程序顯示字符，即各個值顯示為0；若體重值大于98，則寫LCD1602各個值顯示字符為“-”或“-”，同時蜂鳴器報警；若體重值在于0和98之間，則寫顯示體重值，讀取身高值初值，由三個按鍵控制改變的初值（即用戶的體重值），顯示身高。之后計算BMI值，再由BMI值判斷身體質(zhì)量指數(shù)的檢測結(jié)果并顯示。5.2 A/D轉(zhuǎn)換部分程序流圖首先寫單片機初始化，單片機信號通道設(shè)置和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模數(shù)式

55、子程序，讀取數(shù)據(jù)通道入口由主程序定， A/D轉(zhuǎn)換子程序返回轉(zhuǎn)換后的二進制結(jié)果。主程序?qū)Λ@取的二進制結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)換為體重值。如圖14所示A/D轉(zhuǎn)換部分程序流圖：開始判斷通道是否由數(shù)據(jù)輸入開始轉(zhuǎn)換初始化返回轉(zhuǎn)換結(jié)果否是圖14 A/D轉(zhuǎn)換部分程序流圖5.3 LCD顯示部分程序顯示部分包括字符串顯示和單字符顯示。無論是字符串顯示還是單字符顯示在LCD1602寫數(shù)據(jù)指令前后都應(yīng)有延時程序，否則第一個字符會丟失或是顯示會不正常，因為程序處理需要時間沒有延時，數(shù)據(jù)讀取太快，就好使得顯示不正常。獲取到的數(shù)值需要單字符顯示需要寫入循環(huán)指令中標志需要顯示的值的字符應(yīng)寫也外部。對于讀取的體重值要根據(jù)傳感器量程

56、寫報警程序和顯示程序。也需要對于在沒有體重輸入的情況下寫顯示程序。BMI值和身體質(zhì)量指數(shù)測試結(jié)果的顯示需要根據(jù)BMI標準，對獲得的值進行判斷用戶是否正常，BMID的計算公式如公式5所示，成人的BMI數(shù)值標準如表2所示：(BMI)=體重(kg)/身高(m)2 （5）表2成人的BMI數(shù)值標準體重指數(shù)（最理想的體重指數(shù)：22）男性女性過輕低于20低于19適中20-2519-24過重25-3024-29肥胖30-3529-34非常肥胖高于35高于34由于LCD1602本身存在缺陷不可顯示中文字符，也為了減少設(shè)計成本故而本設(shè)計根基標準BMI值的范圍設(shè)定了五個健康質(zhì)量測試結(jié)果result輸出范圍：A，B，C，D，E（以女性的參考范圍定義）如表3成人的BMI測試結(jié)果所示：表3成人的BMI測試結(jié)果BMI(以女性的BMI值為標準)Result22A19-22,22-24B24-29，<19C29-34D>34E軟件流程圖如圖15所示：開始判斷是否輸入身高顯示升高初始化顯示BMI和輸出測量結(jié)果否是顯示字符串判斷獲取體重值范圍否是圖15 LCD程序流圖5.4按鍵程序流圖按鍵控制部分，本設(shè)計只選用了三個按鍵：功能鍵、加鍵、減鍵。對功能鍵按下的次數(shù)進行計數(shù)。功能鍵按下一下時，可以對身高的百