智能人體秤的系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

I本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目基于單片機(jī)的智能人體電子秤的系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓名學(xué)號(hào)院系電氣信息與自動(dòng)化專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器指導(dǎo)教師職稱講師2011年月日教務(wù)處制基于單片機(jī)的人體智能秤摘要隨著微電子技術(shù)的應(yīng)用，市場(chǎng)上使用的傳統(tǒng)稱重工具已經(jīng)滿足不了人們的要求。為了改變傳統(tǒng)稱重工具在使用上存在的問題，在本設(shè)計(jì)中將智能化、自動(dòng)化、人性化用在了電子秤重的控制系統(tǒng)中。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)來控制，測(cè)量物體重量部分由稱重傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器組成，加上顯示單元，此電子秤俱備了功能多、性能價(jià)格比高、功耗低、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便直觀、速度快、測(cè)量準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為主控芯片，外圍附以稱重電路、顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路等構(gòu)成智能稱重系統(tǒng)電路板，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重系統(tǒng)的各種控制功能。主要通過LCD顯示人體的體重，經(jīng)鍵盤輸入身高，結(jié)合身高與體重的關(guān)系來判別并顯示人體的身材?？梢哉f,此設(shè)計(jì)集稱重、判別身材和時(shí)間顯示一體，功能齊全可進(jìn)行推廣應(yīng)用，所完成的電子秤很大程度上滿足了應(yīng)用需求。關(guān)鍵詞：液晶顯示；傳感器；單片機(jī)III目錄1緒論.12系統(tǒng)設(shè)計(jì).22.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求.22.1.1任務(wù).22.1.2要求.22.1.3說明.22.2總體設(shè)計(jì)方案.22.2.1設(shè)計(jì)思路.22.2.2方案論證與比較.22.2.3系統(tǒng)組成.73硬件電路的設(shè)計(jì).83.1外部電路的設(shè)計(jì).83.1.1單片機(jī)控制系統(tǒng).83.1.2單片機(jī)與轉(zhuǎn)換器的接口電路.83.1.3液晶顯示接口電路.103.1.4電源電路.123.1.5鍵盤與單片機(jī)接口電路.124軟件設(shè)計(jì).144.1主程序的設(shè)計(jì).144.1.1系統(tǒng)主程序.144.1.2歡迎模塊.154.1.3測(cè)量模塊.164.1.4身材模塊.174.1.5時(shí)間模塊.184.1.6鍵盤模塊.195系統(tǒng)測(cè)試.錯(cuò)誤!未定義書簽。5.1測(cè)試使用的仿真軟件.錯(cuò)誤!未定義書簽。5.2測(cè)試.錯(cuò)誤!未定義書簽。5.3顯示時(shí)間仿真.錯(cuò)誤!未定義書簽。5.4顯示體重和身材的仿真.錯(cuò)誤!未定義書簽。6總結(jié).20致謝.21參考文獻(xiàn).22附錄1主電路圖.23附錄2源程序清單.2411緒論目前，隨著社會(huì)的發(fā)展、生活水平不斷提高，人們?cè)絹碓疥P(guān)注自己的身體健康。許多人由于工作的壓力和不良的飲食習(xí)慣，使得身體健康每況愈下，疾病也隨之而來，而在這些人群中，患有肥胖和營養(yǎng)不良的病人居多。為方便人們及時(shí)了解自己的體重是否超出或低于標(biāo)準(zhǔn)的體重，在許多公共場(chǎng)合都擺放了人體秤，商場(chǎng)、藥店、馬路旁等隨處可見，給那些由于工作緊張沒有時(shí)間到醫(yī)院做定期體驗(yàn)的人們帶來了方便。人體秤已不再是醫(yī)院的專用醫(yī)療器械，已成為人們生活中不可缺少的一部分。普通人體秤測(cè)量身高和體重的結(jié)果都是直接用眼睛觀看指針讀取的，由于讀數(shù)的方法各不相同、讀數(shù)時(shí)光線有明有暗等多種原因，使得讀取數(shù)據(jù)的誤差過大。由于人體秤的使用非常普遍，解決這一問題顯得尤為重要。近年來，隨著科技不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，單片機(jī)已逐漸成為科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要工具，正在不斷地走向深入。單片機(jī)的應(yīng)用已深入到人類的生活、生產(chǎn)等各種領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的由單片機(jī)控制的人體稱，比普通人體稱在耐用性、適用環(huán)境、讀數(shù)的準(zhǔn)確度等方面有了很大的提高。智能人體秤經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，適合在廣大工薪階層推廣。因此，以單片機(jī)為控制核心的人體秤，不但提高了讀數(shù)的精確度，給人們以直觀的效果，將身材標(biāo)準(zhǔn)與否一并顯示，與普通人體秤的價(jià)格相差無幾，逐漸取代傳統(tǒng)的人體秤。22系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1.1任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)人體智能秤，要求顯示人體體重、顯示時(shí)間、顯示身材。2.1.2要求顯示人體體重、身材以及顯示時(shí)間。2.1.3說明（1）人體稱重的范圍定為10KG100KG，身高的范圍為90CM190CM。（2）TJH-2C型稱重傳感器,額定負(fù)載為100KG,傳感器電路采用的是單臂電橋,只有一個(gè)電阻應(yīng)變片，與其它型號(hào)的相比而言價(jià)格便宜。2.2總體設(shè)計(jì)方案2.2.1設(shè)計(jì)思路通過TJH-2C重力傳感器對(duì)稱重信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)INA126將稱重模擬信號(hào)進(jìn)行放大，通過8位的A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)采集，再把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入MCU，由MCU完成一系列的運(yùn)算，最后由LCD顯示身材、體重和時(shí)間。2.2.2方案論證與比較（1）傳感器模塊方案一：本設(shè)計(jì)中需要測(cè)量的是人體的體重,沒有具體的測(cè)量的范圍,所以本系統(tǒng)中我采用TJH-2C型稱重傳感器,它的測(cè)量范圍是(0100kg)，適合大多數(shù)的人群,如圖2-1為傳感器的原理圖。圖2-1TJH-2C傳感器原理圖稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓由公式1。Eout=R2*R4/(R2+R4)*(R1/R1+R2/R2+R3/R3+R4/R4)*Ein(公式1)稱重傳感器是影響人體稱測(cè)量精度的關(guān)鍵部分。選用適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，用來感知被測(cè)量，當(dāng)人體站到稱盤上時(shí)，重力傳給傳感器，該傳感器發(fā)生行變，從而使阻抗發(fā)生變化，電橋失去平衡，傳感器輸出一個(gè)變化的模擬信號(hào)。本系統(tǒng)中采用TJH-2C型稱重傳感器，額定負(fù)載為200KG，傳感器電路采用的是單臂電橋電路，只有一個(gè)電阻應(yīng)變片，理想情況下，傳感器輸出信號(hào)、放大器輸出信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)、人體體重之間的關(guān)系基本成線性，放大器的理想放大倍數(shù)為327。方案二：采用應(yīng)變片式壓力傳感器壓力傳感器是現(xiàn)實(shí)中采用并使用的比較多的一種傳感器，我們使用的壓力傳感器主要利用壓電效應(yīng)制造而成的，這種的傳感器也稱為壓電傳感器。應(yīng)變片壓力傳感器原理如圖2-2：圖2-2應(yīng)變片壓力傳感器原理圖電阻應(yīng)變片受力產(chǎn)生形變，使加在應(yīng)變片電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變片電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，在傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因?yàn)閼?yīng)變片產(chǎn)生的阻值變化小，所以在測(cè)量時(shí)，一旦超過量程的上限值就會(huì)損壞儀器，而測(cè)量人體體重的變化范圍很光。顯然，采用此方案不適合。方案選擇：通過比較，認(rèn)為本設(shè)計(jì)相對(duì)需要較穩(wěn)定相對(duì)電路簡(jiǎn)單的傳感器，這樣可以省下一些時(shí)間，因此，選擇了方案一。4（2）前端放大器的選擇方案一：利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器。普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。所以，此中方案不宜采用。方案二：由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放做成一個(gè)差放大器，如圖2-3（OP07）。圖2-3差動(dòng)放大器原理圖電阻R1、R2電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級(jí)的噪聲，C1、C2為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C3、C4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)加入放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器R6可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級(jí)為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。缺點(diǎn)：此電路要求R3、R4相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲。對(duì)精度影響較大。方案三：采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等。以INA126為例如圖2-4。圖2-4INA126放大器原理圖此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡(jiǎn)單。放大器增益G=5+80K/Rg，通過改變Rg的大小來改變放大器的增益。方案選擇：綜上所述，選擇方案三比較適合本系統(tǒng)的要求。（3）A/D模塊方案一：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109等。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，具有精確的差分輸入，輸入阻抗高，可自動(dòng)調(diào)零，超量程信號(hào)，全部輸出于TTL電平兼容。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50HZ的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。但是，雙積分型A/D的轉(zhuǎn)換速度太緩慢了，這樣就無法滿足要低功耗的要求，顯然雙積分型的A/D不適合于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。方案二：逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高，功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型A/D轉(zhuǎn)換器件。高精度逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時(shí)鐘，基于89C52構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)僅需要外接幾個(gè)電阻、電容。方案選擇：作為人體秤，系統(tǒng)對(duì)A/D的轉(zhuǎn)換速度要求適中，精度上8位的A/D足以滿足要求。另外逐次逼近行型A/D轉(zhuǎn)換器，具有低廉的價(jià)格。綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇方案二。（4）控制模塊方案一：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高，而且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮放棄此方案。方案二：采用凌陽公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其用于語音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)應(yīng)用語音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機(jī)同時(shí)處理其他任務(wù)的速度和能力降低。方案三：采用使用Atmel公司的AT89C52作為系統(tǒng)的的主控制器，AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。方案選擇：由于本設(shè)計(jì)要求不高，采用一般的AT89C52即可完成，所以選擇方案三。（5)鍵盤模塊方案一：采用獨(dú)立式鍵盤，它是各鍵盤相互獨(dú)立地接到單片機(jī)的I/O引腳，每一個(gè)按鍵需要占用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳，這是最簡(jiǎn)單的鍵盤結(jié)構(gòu)。但有任何一個(gè)鍵按下時(shí)，與之相連的輸入數(shù)據(jù)線即被置為邏輯0（低電平），而平時(shí)該數(shù)據(jù)線上保持為邏輯1（高電平），單片機(jī)程序中只要通過查詢與鍵盤相連的I/O腳位即可方便地實(shí)現(xiàn)按鍵處理。不過，這種按鍵的缺點(diǎn)是按鍵多時(shí)，占用單片機(jī)的I/O口線資源。本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)通過人體體重與身高的關(guān)系來判別人體健康的程度，所以只需09個(gè)數(shù)字鍵和一個(gè)復(fù)位鍵，顯然占用的I/O線資源太多了，在本系統(tǒng)中不適用。方案二：采用并列式鍵盤可以減少占用單片機(jī)I/O口的線資源，而在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用并列式鍵盤4*4，只需要8根I/O口線，并且在鍵盤上分配很合理，可以設(shè)置09個(gè)鍵、一個(gè)復(fù)位鍵、小數(shù)點(diǎn)。雖然在軟件上完成行列式鍵盤的掃描，編程相對(duì)而言很復(fù)雜，但這種行列式鍵盤的掃描程序已經(jīng)有現(xiàn)成的程序可以借鑒，只