牛子健，李龙彬，唐 川，陈初阳，卢文涛，马华红

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

全自动人体健康秤是电子秤的一种，而电子秤种类很多，主要可分为两种形式，一种是以仪表盘为显示方式的电子秤[1]，在市面上较为常见，其测量范围比较广但精度不高，在测量时，肉眼读数也容易产生较大误差；另外一种是以数字形式显示的电子秤，该类型采用数字技术，方便人们进行读数，减少了很多不必要的误差。但是一般来说，其测量范围没有指针式范围广，两者各有优缺点。本次课题采用的就是数字形式显示屏的电子秤[2]，它主要实现身高、体重的自动测量、身体质量指数(BMI)计算以及存储等功能。同时，全自动人体健康秤也具有普通电子秤缺乏的智能语音播报功能和健康提示功能。

1 总体系统设计

图1 人体健康秤总系统框图

全自动人体健康秤设计系统主要可分为八个模块：系统控制模块、采样模块、语音播报模块、显示模块、存储模块、按键模块、报警模块、无线通讯模块。

1.1 系统控制模块

系统控制模块作为整个系统的核心，负责读取采样模块中各个芯片的数据，并根据算法生成相应的测量数据的样值转送至存储模块。系统控制模块分为主控制器和副控制器两部分，通过无线通讯模块实现主副两块微处理器的数据接收与发送，主控制器将综合处理后的数据发送到显示模块和语音模块进行定时刷新显示与播报。

1.2 显示模块

显示模块作为人机交互界面的主要部分，负责将系统控制模块中存储的各项身体数据显示出来。本设计显示模块采用的是TFTLCD显示芯片，通过电压控制显示器显示各种灰阶，用晶体管表面薄膜产生电压，然后再利用其控制液晶投向显示屏上，通过改变电阻值改变晶体管集电极电流大小，进而控制显示屏幕的亮度。

1.3 存储模块

存储模块负责暂存每次采集数据的样本的平均值，用户通过多次测量可以生成历史数据。本系统采用的是TF_CARD存储芯片。

1.4 按键模块

按键模块作为人机交互界面的一部分，用户可以通过按下不同按键设置不同测量模式和显示界面，分别完成相应操作。在本次设计中，当按下home按键时，进入主菜单栏，显示系统的主要功能；按下前进或后退按键，可选择不同的工作模式；再按下确认键即进入该模式，执行相应的测量功能；按下开始/结束按键时，会进入/脱离休眠模式，在休眠模式中设备将会以一个极低功耗运行。

1.5 无线通讯模块

无线通讯模块负责完成主副控制器的数据接收发送，副控制器将采集到的身高相关数据发送至主控制器中。NRF2401是一单芯片型广播式无线射频收发机，它采用全球普遍使用的2.4～2.5GHz传输通信频率。通过对3线串行接口的使用，可以很简单地对功率输出与通道频率进行编程处理。内置掉电模式可以更好地实现电能节约。

1.6 语音/报警模块

本系统语音播报模块将单次测量显示的信息生成文本并播报，满足用户对设备智能化的要求。SYN6288提供一组全双工的异步串行通讯(UART)接口，实现与微处理器的数据传输。SYN6288内置了推挽式的DAC，可直接驱动喇叭进行语音播报。

1.7 采样模块

采样模块包括体重、身高以及心率血氧三部分的采样。

体重：由电阻应变式压力传感器实现，两个50kg量程的半桥式压力传感器并联构成全桥使得量程扩大为100kg，压力使得传感器应变片的形变产生微弱的模拟电信号，由HX7111芯片采集电信号并进行AD转换，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。芯片通过串口通信与主控制器进行通讯，主控制器根据相应的算法将芯片输出的数据转化为体重值。

身高：利用HC-SR04超声波测距模块，根据超声波发送和接收之间的间隔时间可以推算出障碍物与传感器的距离,通过公式计算测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。

副控制器再根据其接收到的数据转换成身高数值。

心率血氧测量：心率血氧的采集由MAX30102模块完成，送往主控制模块处理，生成心率血氧数据。

当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这光束的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。只需要将手指头紧贴在传感器上，就能估计脉搏血氧饱和度(SpO2)及脉搏(相当于心跳)。携带氧气的红血球能吸收较多红外光(850-1000nm)，未携带氧气的红血球则是吸收较多的红光(600-750nm)，因此pulse oximeter就是一个迷你的分光计，利用不同红血球之吸收光谱的原理，来分析血氧饱和度。这种实时而快速的测量方式，也广泛被运用在许多临床的参考。

2 系统硬件设计

2.1 处理器选型

本产品处理器选择的型号为意法半导体公司生产的STM32F103ZET6。处理器采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72MHz。同时还具有高达64kB的Flash。芯片还具有丰富的通用I/O端口，外设资源丰富，能完全满足产品的功能需要。

2.2 压力检测电路

具有压阻效应的材料有很多种，绝大多数的金属材料以及半导体材料都具有压阻效应，通过检测发现，金属材料中的压阻效应远远小于半导体材料，相比电容式和压电式,电阻应变式数据浮动较小,使用时间相对较长，反应快，不受制于使用环境和温度。因此，应变式传感器的使用频率和生产量都比较多，它主要是通过改变电桥进行测量。

2.3 超声波模块

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，测距精度可高达到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：

1) 采用IO口TRIG触发测距，给至少10μs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，高电平持续的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.

2.4 心率血氧检测芯片(MAX30102)

MAX30102使用1.8V和5V作为常规供电。

芯片外围电路十分简单，仅需要一个供电电路以及几个上拉电阻即可，对外通信采用标准的IIC接口，此外，该传感器在功耗方面也具有极大的优势，其待机功率几乎可以忽略，因此目前一些手机及可穿戴智能硬件产品大量采用该芯片。

3 系统软件设计

3.1 总体软件设计

系统开机并初始化后，由处理器内部定时器中断检测按键是否按下，当相应的标志位分别置位后，进入各个功能的测量程序，最后将测得的数值进行定时刷新显示，以及相应的语音播报。

3.2 体重测量软件设计

当发出测量指令后，处理器读取HX711芯片内部数据并根据公式计算出质量，以确定体重数值。

图2 体重测量流程图

3.3 身高测量软件设计

利用超声波反射原理，当发出测量指令后，处理器计算发射信号与返回信号的时间差，据此计算出相应的距离，以确定人体身高。

3.4 心率血氧测量软件设计

心率血氧测量是利用光电容积法的基本原理，利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量。通过读取MAX30102本身的FIFO得到转换后的光强度数值，进而编写算法得到心率值和血氧饱和度。

图3 身高测量流程图

图4 心率血氧采集过程流程图

3.5 结果测试

系统联调测试过程描述，结果显示。

图5 健康秤身高测试结果

图6 健康秤体重与心率血氧测试结果

4 总结

本设计是基于STM32完成的全自动人体健康秤。系统能够完成人体身高、体重和心率血氧方面测量以及BMI等数值的计算；本设计的优点在于测量功能的多样化，集多项人体健康指标测量于一身，满足用户的多样化需求。可随时掌握身体数据变化趋势，智能化生成科学饮食与运动建议。数字形式的电子秤替代以模拟电路形式电子秤，基于集成化的微处理器为主控设计方案也大大提高了数据的可靠性与精度。