畢業(yè)設計81智能型身高體重儀的研制

智能 型 身高體重儀的研制 1 1 智能 型 身高體重儀的概述 身高體重儀，早已被廣泛用于家庭和平常的生活中，使人們對自己的身體狀況有更好的掌握，更好的提高人們對健康的認識。傳統(tǒng)的身高體重儀器一般為機械結構，這種儀器需要人 工操作，不能 顯示，數據需要通過指針和刻度盤來讀取，這種儀器用起來很不方便， 而且 它的誤差也比較大，有儀器自身誤差，也存在人為 的 在讀取時 所產生 的隨機誤差等。 近年來，市面上也大量流行著能測人體身高和體重的電子人體稱，它能 自動 測量 出人的 身高 體重值，并配有打印 機輸出 和語音 播放 電路 ，在很大程度上提高了人體身高體重測量的準確性，也豐富 了測量的趣味性。一般來說這種身高體重儀，操作簡單， 由 人啟動 后 測重、測高、顯示、打印、語音播放等功能都 可以 自動完成的，但是這種儀器也存在某些方面的不足：體積大，移動起來不方便；測高功能是通過測高平桿帶動碼盤轉動，碼盤孔用光電讀取頭把測高脈沖傳給單片機進行計數，從而得到 被測者的 身高值，這種儀器需要電機來帶動測高平桿移動，為接觸型測量，并且測量速度不快；同時還需要人工來操作。 智能 型 身高體重儀，顧名思義，就是整個測量身高和體重的過程都是 自動完成的。同時，它 又 具備了傳統(tǒng)身高體重儀所 不具備 的優(yōu)點和亮點：小巧玲瓏，移動 方便；測量速度快、準確，并且為非接觸型儀器； 而且 它功耗低，且無需人工操作， 是一種 完全的智能自動化儀器。 這種儀器在使用時，即 進行身高體重測量時，只 要 被測者站在儀器上 所示的位置 ，本儀器就會自動的進行身高 與 體重的測量， 然后 對結果進行直觀的數字顯示和語音播放。對于 本儀器 來說，整個 工作 過程就是 ： 通電開機，在無人測量狀態(tài)下 顯示時鐘日歷，同時檢測是否有人要 進行 測量 ； 如有，系統(tǒng)自動啟動測量身高和體重的電路進行測量。具體的 測量 過程為：啟動超聲波測高發(fā)射電路 等待超聲波反射回來并計算出時間差由溫度傳感器測出溫度 并 對聲速進行 補償計算出身高值并送入控制系統(tǒng)從稱重傳感器輸出的信號經放大并A/D 轉換后的體重值送入控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)算出結果最后為顯示 和 播放所測得的 身高體重值并打印出結果結束。整個測量身高和體重的 過程，不必由人工操作即可全部自動完成?？梢姡瑢χ悄?型 身高體重儀的研制還是有 很 積極的意義的。 智能 型 身高體重儀的研制 2 2 方案論證 按照本設計功能的要求，系統(tǒng)由 9 個部分組成：控制器部分、體重測量部分、身高測量部分、時鐘日歷部分、數據顯示部分、語音處理部分、打印控制部分、擴展 I/O 部分和電路電源部分，智能身高體重儀的總體電路結構圖 2-1 所示： 圖 2-1 智能身高體重儀的總體電路結構圖 2.1 控制器部分 方案論證 本系統(tǒng)控制器部分的可選擇的方案有以下兩種： 方案一、 采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?來進行控制； 采用本方案，會使系統(tǒng)設計起來相當復雜。又 因為系統(tǒng)需要 進行 數碼顯示、語音播放和打印 控制 ，所以不宜采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?(CPLD、 FPGA)來實現。 因為大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機方式來實現，即所解 決的問題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉換問題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，用本方案難度較大。 方案二、采用單片機來 實現控制 以單片機為主體的設計，可以容易地將計算機技術和測量控制技術結合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進展。所以 本系統(tǒng) 采用本方案，即 基于 51 系列單片機來實現， 又因為 系統(tǒng)沒有其它高標準的要求， 再考慮到本設計中程序部分比較大，所以 我們最終選擇了AT89C52 這個 比較 常用的 單片機來實現系統(tǒng) 的功能要求 。 AT89C52 內部帶有 8KB的程序存儲器， 基本上已經能夠滿足我們的需要； 有四個 I/O 口，不能滿足本設計中功能 的要求 ，所以我們 用它的 P0 口和 8255 進行了擴展。 控 制 器 部 分 體重測量部分 身高測量部分 數據顯示部分 語音處理部分 時鐘日歷部分 打印控制部分 擴 展I/O部 分 智能 型 身高體重儀的研制 3 2.2 體重測量部分 方案論證 體重測量部分 是 由傳感器將站在測量臺上的被測者的體重轉變?yōu)?近似 線性的電壓輸出，這個微小的電壓是毫伏級的， 它不能滿足 A/D 轉換器的輸入需求，所以要對這個 微小的輸出電壓 進行 信號的前級處理即 濾波和 放大后 ，才能滿足A/D 轉換所需的電壓幅度，經過 A/D 轉換器 的 轉換將模擬電壓值 轉 換為相應的數字量，由單片機 AT89C52 進行運算處理。 至于如何運算才能使處理后的結果對應被測者的真實的體重，這主要是由 A/D 轉換器的分辨率和稱重傳感器的量程所決 定的，結果的 運 算主要由軟件來實現。 2.2.1 傳感器的 方案論證 傳感器在電子衡器中的核心部件，也是本儀器中性能價格比的基本決定因素，所以傳感器的選擇具有著重要的意義。測重的傳感器我們可以用壓力傳感器，也可以用稱重傳感器?？紤]到 稱重 傳感器集材料、工藝技術、加工測試技術及微電子技術于一體，技術含量比較高，屬高科技產品，其幾十年的發(fā)展也使其在原理、材料、電子測量技術等方面都已趨向成熟， 又 考慮到一般電子衡器大多都 是采 用稱重傳感器，所以體重測量部分中我們也選擇 了 稱重傳感器。 又 考慮到人的體重一般都在 0120Kg 以內，再根據本設計要求，重量誤差應控制在 0.15Kg， 又 考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重損壞傳感器，所以我們 確定 傳感器量程為 150Kg。 最終方案我們 選擇的是上海開沐自動化有限公司生產的 NA-TH150 型稱重傳感器，量程 150Kg，允許過載為150%F.S。 它 可以滿足本系統(tǒng)的精度要求 、 量程要求 以及價格等要求 。 2.2.2 前級 處理 電路部分方案論證 稱重傳感器存在著橋壓的紋波等一些干擾信號， 再加上 稱重傳感器輸出的電壓信號為毫伏級， 所以我們要對稱重傳感器的輸出信號進行處理，才能輸入A/D 轉換器中 。 前級處理電路部分， 我們考慮可以采用以下幾種方案： 方案 一 、利用普通低溫漂運算放大器構成 前級處理電路 ； 普通低溫漂運算放大器構成多級放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此中方案不宜采用。 方案二、 主要 由高精度低漂移運算放大器構成差動放大器 ，而構成的前級智能 型 身高體重儀的研制 4 處理電路 ； 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 (如 OP07)做成一個差動放大器。 其設計電路如圖 2-2 所示： 電阻 R1、 R2 電容 C1、 C2、 C3、 C4 用于濾除前級的噪聲， 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。 圖 2-2 普通運放所設計的差動放大器電路 優(yōu)點：輸入級串入跟隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器 R6 可以調節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調放大倍數，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大， 基本上可以 符合應用 的 要求。 缺點：此電路要求 R3、 R4 相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲。對精度影響較大。 方案 三 ：采用專用儀表放大器，如： INA126， INA121 等 構成前級處理電路 。 此類芯片內部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。 以 INA126 為例 ,其 接口 電路 如 圖 2-3 所示： 圖 2-3 INA126 接口電路 智能 型 身高體重儀的研制 5 放大器增益GRKG 805 ，通過改變 GR 的大小來改變放大器的增益。 基于以上分析，我們決定采用 由 制作方便而且精度很好的專用儀表放大器INA126 來完成前級處理電路的設計 。 2.2.3 A/D 轉換電路部分方 案論證 考慮到對體重的測量，精度要求不是很苛刻，而 10 位 A/D 轉換器誤差應在精度范圍之內。 10 位 A/D 精度： 150Kg/1024=0.146Kg，這樣的精度可以滿足我們設計的要求 ,所以我們選擇 10 位或者精度更高的 A/D。 我們考慮用以下方案： 方案一、逐次逼近型 A/D 轉換器，如： ADS7805、 ADS7804 等。 逐次逼近型 A/D 轉換 ，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 轉換器件。 高精度逐次逼近型 A/D 轉換 器一般都帶有內部基準源和內部時鐘，基于AT89C52 構成 的系統(tǒng)設計時僅需要外接幾個電阻、電容。 但考慮到所轉換的信號為一慢變信號，逐次逼近型 A/D 轉換器的快速的優(yōu)點不能很好的發(fā)揮，且根據系統(tǒng)的要求， 10 位 AD 足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費了系統(tǒng)資源。所以此方案并不是理想的選擇。 方案二、雙積分型 A/D 轉換器：如： ICL7135、 ICL7109、 ICL1549 等。 雙積分型 A/D 轉換器精度高，但速度較慢 (如： ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于 M310 ），可自動調零，超量程信號，全部輸出于 TTL電平兼 容。 雙積分型 A/D 轉換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對 50Hz 的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（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，對輸出就不產生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型 A/D 轉換器可大大降低對濾波電路的要求。 作為測量體重的儀器，系統(tǒng)對 A/D 的轉換速度要求并不高，精度上 10 位的AD 足以滿足要求。另外雙積分型 A/D 轉換器 具有 較強的抗干擾能力 、 精確的差分輸入 以及 低廉的價格 等優(yōu)點 。同時我們 又 考慮到串行輸入 /輸出的 A/D 轉換芯片具有接線簡單，功耗低，價格低廉等特點，綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們智能 型 身高體重儀的研制 6 最終選擇了 ICL1549。 2.3 身高測量部分 方案論證 身高測量 有我們可以采用以下的方案： 方案一、利用標尺和刻度來測量身高 ； 這個方案與我們所設計的智能化儀器 原則 相違背，所以我們 舍棄 此方案。 方案二、采用電子儀器控制測高平桿接觸人體來自動完成身高的測量 ； 此方案中 身高的 測量是用 測高平桿 自動 帶動碼盤轉動，碼盤孔用光電讀取頭把測高脈沖傳給單片機進行計數，從而得到 被測者的 身高值 。這種方案測量速度慢，而且直接 導致測量儀器設計復雜，體積龐大，也體現不出我們所說的智能化，所以我們 也 不采用本方案。 方案三、采用超聲波傳感器或光柵傳感器等來完成無接觸的身高測量。 身高測量中是體現我們智能儀器的一個 重要的 方面，所以 在方案的選擇上我們 應 舍 棄一些 傳統(tǒng)的方 案； 又由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離遠，經常用于距離的測量 ；再加上 利用超聲波檢測距離，設計比較方便， 測量速度快， 計算處理出比較簡單，并且在測量精度方面 也 能達到日常使用的要求 ； 所以我們本設計中采用超聲波 傳感器 來進行身高的測量。 2.4 時鐘日歷部分 方案論 證 時鐘日歷部分我們可采用以下兩種方案： 方案一、采用并行接口的時鐘日歷芯片 ； 并行芯片我們常 用的是 DS12C877，它解決了 K2K 問題，內部還具有 114 個RAM 可供系統(tǒng)在掉電后存儲系數等數據；它的連接是與 RAM 使用同一個插座，需要 8 根數據地址線。 方案二、采用串行接口的時鐘日歷芯片。 串行芯片我們常用的是 DS1302，它計時準確，可對秒、分、時、日、周、年、月以及帶閏年補償的年進行補償。它有自己的振蕩電路，它只需要 3 根數據線和單片機通訊，接線簡單方便，在系統(tǒng)運行時還有對后備電源自動充電功能，在掉電時，可以 繼續(xù)計時。 考慮到本設計中對時鐘日歷部分不是必要的部分，只是作為功能擴展部分，所以我們在設計中選擇性比較大， 但是考慮到價格和接線等因素， 在本設計中我智能 型 身高體重儀的研制 7 們選用了 本 方案中 的 這種 高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘 芯片 DS1302。 2.5 數據顯示部分 方案論證 數據顯示部分我們可以采用以下的方案： 方案一、采用 LCD 液晶顯示 ； 方案二、采用 LED 數碼管顯示。 考慮到本設計中的需要顯示的數據分為兩部分，初始 時 為日歷和時鐘部分，待 測量結束后，顯示為身高和體重的值，這兩個部分都 只是數字數據，而且都 只需 要 8 位 （ 月、日 、時、分各 2 位； 身高 4 位，體重 4 位） 就可以滿足要求， 考慮到 LCD 比 LED 的價格 工作電壓等因素 ， 再加上 在本設計中我們對顯示 部分 沒有太 高的要求 ， 所以本設計中的顯示部分采用 方案二即用 普通的 8 位共陰極 7 段數字型 LED，分時顯示。 在 共陰極 7 段 數碼管的驅動 問題上， 我們選擇 了 MAX7219， MAX7219 是集成的串行輸入 /輸出共陰極顯示驅動器，這種接口微處理可驅動 8 位 7 段數字型LED 或條形圖顯示器或 64 只獨立 LED。 MAX7219 內置有 BCD 譯碼器、 亮度控制寄存器、 多路掃描電路、段及數字驅動器和用于存儲每一位的 8 8 靜 態(tài) RAM，對所有的 8 個 LED 來說，只需要外接一個電阻 就 能控制段電流 的大小 。 2.6 語音播放部分 方案論證 語音 播放 部分 可以采用以下方案： 方案一、采用只能播放語音的芯片 ； 這種芯片為放音芯片，它的數據 大多 放在單片機的內存單 元中，使用起來相當 不便，而且增加了軟件設計時的復雜程度，同時用這種芯片 修改起來也相當的復雜， 所以我們不用此方案。 方案二、采用語音錄放芯片。 例如 ISD1400 系列單片機語音錄放芯片，這種芯片大多由時鐘振蕩器、內部存儲器、微音放大器、自動增益控制電路、 抗 干擾濾波器、差動功率放大器等 高品質語音錄放電路所構成。 考慮到本部分只 用于給用戶提供一些操作提示 和報告測量結果 。根據系統(tǒng)的要求，我們采用美國信息存貯器件公司 ISD1400 系列中的 ISD1420，它采用在E2PROM 中直接模擬量存貯技術（ DAS），省去數字存貯器、數據轉換及備用 電智能 型 身高體重儀的研制 8 電源等外圍電路，具有低功耗、零功率存貯信息、無需編輯開發(fā)機、高保真語音錄放等特點。 2.7 打印控制部分 方案論證 打印機可供我們選擇的方案有以下幾種： 方案一、采用高檔型的打印機； 這種打印機功能齊全，打印速度快，但體積較大，價格昂貴，又考慮到在本設計中我們對 打印的功能無如此高的要求，所以我們不用此方案。 方案二、采用微型的針式打印機。 根據本設計的要求和 系統(tǒng)的功能要求， 又考慮到 我們打印的只是一般的數字數據和一般的字符，所以點陣式打印機就可以滿足我們的要求；再加上價格 體積等方面的因素，我們決定采用 本方案， 微型打印機 型號我們選擇的是 TPP-40A。 2.8 擴展 I/O 部分 方案論證 由于本系統(tǒng)外圍器件較多，要想滿足 本設計的要求， AT89C52 本身的 I/O 口是 不 夠用的 ， 所以 我們要 對其 進行擴展。 擴展的方案有以下幾種： 方案一、采用 Intel 公司的 8255（ 3 8 位） 進行擴展。 方案二、采用 Intel 公司的 8155(2 8 位 6 位 )進行擴展。 方案三、采用 Intel 公司的 8243(4 4 位 )進行擴展。 方案四、采用 Silos 公司的 PIO(2 8 位 )進行擴展 等。 根據系統(tǒng)設計要求及考慮到各因素，我們通過單片機的 P0 口和 8255 進行了擴展 ， 擴展后 8255 的接口 ： PA 口和 PC 口 用來控制打印機 ， PB 口用 控制 語音處理 電路 。 2.9 電路電源部分 本設計中除了 超聲波發(fā)射電路中的 555 定時器需要 +12V 電源 外，其他的芯片 大 都是用 +5V 電源供電，所以我們在系統(tǒng)中需要提供 +12V 和 +5V 的電源 。在本設計中電源部分可以由兩個方案來實現： 方案一、直接用 直流 穩(wěn)壓器輸出 +12V 和 +5V 直流電壓； 方案二、通用的 220V 交流電壓通過變壓器變壓 并 整流后輸出 +15V， 并接至 LM7812 和 LM7805 的輸入端 Vin。 考慮到價格等各種因素，在本系統(tǒng)設計 中我們 采 用方案 二 。 智能 型 身高體重儀的研制 9 3 系統(tǒng)硬件設計 3.1 智能 型 身高體重儀的硬件設計概述 本設計要求系統(tǒng) 完成 ：在開機后， 無人測量 時 ，儀器顯示日期和時間，日期和時間數據由時鐘芯片 DS1302 提供， 數據 用 MAX7219 驅動的 8 位 7 段 LED 顯示；有人測量時，系統(tǒng)自動 啟動 測量 電路。測量 過程中 ， 由 控制器發(fā)出控制命令，啟動身高測量電路和體重測量電路；測量結束后，數據送入控制器 AT89C52，再由控制器 AT89C52 把 結果 送入顯示緩沖區(qū)，并刷新顯示部分，顯示身高和體重值， 此時 8 位 LED 不再 顯示日期和時間 ，而是用來 顯示 測量結果 ；同時由控制器 AT89C52 通過擴展芯片 8255 送出數據命令來控制語音芯片 ISD1420，報告出身高體重值，并報告 所計算 出被測者體型情況；最后再由控制器 AT89C52 通過 8255 送出數據 /命令來對打印機 TPP-40A 進行控制，打印出 測量結果 。 本 設計的 控制 核心 即 控制器部分 我們 采用的是 ATMEL公司生產的 89系列單片機 中的 AT89C52，所有的控制命令和數據處理都由它來 完成 。 測量身高部分通過超聲波傳感器發(fā)射 電路 和 超聲波 接收 電路完成 ， 并 用AT89C52 中的定時器進行計時，計算出所用的時間，然后再根據 DS18B20 測出的溫度， 對聲速進行補償，然后由時間乘以聲速即可計算出超聲波探頭與被測者頭部的距離；由于超聲波傳感器的探頭離被測者腳底的距離是固定和已知的，所以兩個距離的差即為被測者的身高。 測量體重部分通過稱重傳感器輸出的毫伏信號，經過前向通道中的放大濾波，輸 出到 A/D 轉換器 ICL1549 的輸入端，經過 A/D 轉換后，數 據 直接輸出到控制器 AT89C52，由單片機對其進行運算處理計算出結果 。 顯示、語音和打印部分，在設計中比較的具體化，在此我們不于敘述，我們將在本章的后面幾節(jié)中給予詳細說明。 3.2 控制單元設計 由于本設計的核心即控制單元的設計只有一個 AT89C52 單片機， 又因為這種單片機在我們的 日常 生活和學習 工作 中比較常用 ,所以我們在 此 就不 再 單單對此單片機進行 性能的 介紹 。 AT89C52 各管腳的分配和應用可參考附錄 2：智能 型 身高體重儀的 總 電路圖。 智能 型 身高體重儀的研制 10 3.3 測量 身高電路設計 本設計中測量身高電路主要是 通過 超聲波測距電路實現 的 。超聲波測距電路 主要包括：溫度檢測電路 、 超聲波發(fā)射及控制電路 、 超聲波接收電路 、 信息處理電路及其輔助電路組成。 為 降低調試的復雜性，提高系統(tǒng)安裝的靈活性 ，超聲波發(fā)射與接收采用分離設計，即單獨采用發(fā)射器和接收器，而不是采用發(fā)射接收一體化器件。測高電路系統(tǒng)電源以 +12V 和 +5V 為主電源， 它 通過 本設計中的 電源 電路實現，在此我們不予詳述 。 超聲波測距電路原理概述：所謂超聲波是指高于 2000Hz 的機械波，具有強度大、方向性好等特性。超聲波一般采用壓電效應或磁 致伸縮效應產生。利用超聲波測量距離的原理可簡單闡述為：超聲波定期發(fā)送超聲波，遭遇到障礙物時發(fā)生反射，發(fā)射波經由接 收 器接收并轉化為電信號，這樣只要測出發(fā)送和發(fā)射的時間差 t，然后按式 ： S=C* t/2 （ 3-1） 計算 出距離，式中， C 為超聲波在空氣中的傳播速度， 0時為 331m/s， 25時為 347m/s，其與環(huán)境溫度 T（）的關系如下式表示： C=331.4+0.61*T （ 3-2） 由此可見，聲速與溫度 有密切關系。在應用中，如果溫度變化不大，并且無特殊精度要求，可認為聲速在空氣中是基本不變的。否則，必須進行溫度補償。溫度補償通常有兩種方法： 補償方法 1：每次先按照公式 3-2 計算當時聲速，然后再按照公式 3-1 計算距離。特點是：根據當時的溫度得到精確聲速，從而計算得到的距離值比較精確；但程序中牽涉到浮點計算，對于微處理器系統(tǒng)實現，難度相對較大。 但經多次測試，用此方法最大誤差一般不超過 1cm，其精度可以滿足本設計中的要求。 補償方法 2：根據當前的環(huán)境溫度，查取特征溫度值 聲速表中最接近溫度對應的聲速值，作為當 前聲速，然后按照公式 3-1 進行距離計算。其特點是：避免了復雜的聲速計算， 而且 可 事先 計算， 得到溫度 聲速二維表，將之固化到系統(tǒng)程序中，然后直接使用查表法得到聲速值，程序實現比較簡單， 但其所 得精度沒有方法 1 高。 另外，由于超聲波測距電路利用 的是 接收發(fā)射 分離設計 來進行距離的計算，智能 型 身高體重儀的研制 11 T R IG2O U T34CVOLT5T H O L D6D IS C H G781R E S E TV C CG N DU55 5 5R91KR85KC 1 30 . 1 u F超聲波傳感器 1發(fā)射端C 1 03 3 0 0 p F+ 1 2S T A R T因而不可避免地存在發(fā)射與反射之間的夾角，其大小為 2。當較小時，可直接按式 3-1 進行計算得到距離；當較大時，則必須進行距離修正，修正公式為式 3-3： S=COS *C*t /2 （ 3-3） 在公式 3-3 中，傾角與超聲波裝置和接收裝置的安裝位置有關。在實際應用中，就 應該 注意 到 適當 安裝。 在本設計中，我們會努力使 盡可能的小。 3.3.1 超聲波發(fā)射電路的設計 超聲波發(fā)射器包括超聲波產生電 路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭（又稱“超聲波換能器” ）的型號 我們 選用 的是 CSB40T?？刹捎密浖l(fā)生法和硬件發(fā)生法產生超聲波。 前者利用軟件產生 40KHz 的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動后推動探頭產生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈 活性好，得需要設計一個驅動電流為 100mA 以上的驅動電路。 后者是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產生超聲波信號，并直接驅動換能器產生超聲波信號。這種方法的特點是無需驅動電路，但缺乏靈活性。本測距儀采用的是 硬 件發(fā)生法。具體電路如圖 3-1 所示： 圖 3-1 超聲波發(fā)射電路 從圖 3-1 可知， 40KHz 的超聲波信號是利用 555 時基電路振蕩產生的?；袷庮l率計算公式如下： f1.4 (R9+2*R8)*C10) 將 R8 設計可調電阻的目的是為調節(jié)信號頻率，使之與 超聲波探頭 的 40KHz固 有頻率一致。為保證 555 時基具有足夠的驅動能力，宜采用 +12V 電源。 START為超聲波發(fā)射控制信號，由微處理器進行控制。 3.3.2 超聲波接收電路的設計 超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應的型號，主要是頻率要一致，這里 我們選智能 型 身高體重儀的研制 12 用 CSB40R，否則因無法產生共振而影響接收效果、甚至無法接收。由于經探頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經放大電路放大。正弦波信號不能直接被微處理器接收，因此必須進行波形變換。按照概述部分所討論的原 理 ，微處理器需要 的只是第一個回波的時刻，因此可采用比較電路將正弦波轉換為脈沖方波，由軟件查詢得到第一個回波前沿時刻。接收電路的設計可采用專用接收電路，例如 LM1808，也可以采用通用電路來實現。 超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減程度與距離成正比，即距離越近，信號越強；距離越遠，信號越弱，通常在 1mV 1V 之間。當然，不同的接收探頭的輸出信號強度存在差異。由于輸入信號的范圍較大，對放大電路的增益提出了兩個要求： 1）放大增益要大，以適應小信號時的需要； 2）放大增益要能變化，以適應信號變化范圍大的需要。 另外，由于輸入信號 為正弦波，因此必須將放大電路設計成交流放大電路。為減少負電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用了一片LM324 通用放大器，前三級為放大器設計，后一級為比較器設計。 LM324 既可以雙電源供電，也可以單電源工作，因此能滿足使用要求。也可以選用其他放大運算器，但必須注意其能否單電源工作，因為不是所有運算放大器都能單電源使用的。為滿足交流信號的需要，每一級放大器均采用阻容電路進行電平偏移，即圖 3-2 所示： 超聲波傳感器 1接收端C50 . 1 u FR 1 4 1 0 KR 1 81 0 0 KR 2 3 1 0 0 KR 1 0 1 0 0 KV C CC6 0 . 1 u FR 1 61 0 KR 1 91 0 0 KR 2 01 0 0 KV C CR 1 1 1 0 0 KC7 0 . 1 u FR 1 7 1 0 KR 2 11 0 0 KR 2 21 0 0 KV C CR 1 2 1 0 0 KC8 0 . 1 u FR 2 4 1 0 0 KR 2 51 0 0 KV C CR 1 55KV C C2314111U 4 AL M3 2 4 A J4115672U 4 BL M3 2 4 A J41181093U 4 CL M3 2 4 A J4111412134U 4 DL M3 2 4H I G HC91 0 u F C 1 01 0 u FC 1 11 0 u FC 1 21 0 u F圖 3-2 超聲波接收電路 圖中 C9、 C10、 C11 和 C12，容量均為 10F，實現單電源 條件下交流信號的放大。對于交流信號而言，電容為短路，因此前三級放大電路的放大增益均為10。在實驗中發(fā)現，距離較近時，兩級放大時的增益已能輸出足夠強度的信號了， 第 三級有可能出現信號飽和，但距離較遠時，兩級放大不能滿足，必須采智能 型 身高體重儀的研制 13 R35KV C C3DQ2G N D1D S 1 8 B 2 0V C CP 1 . 7用三級放大。為提高自適應能力，可在上圖的基礎上，增設增益選擇電路。由軟件自動完成增益切換，切換的原理是先進行大增益搜索回波，一旦發(fā)現回波，但后續(xù)無回波的情況，說明增益過大，必須減少一級增益。當然，軟件設計的難度會大大增加，而且這種軟件自適應增益法只能適用于靜態(tài)測量，在動態(tài)測量條件下，會導致 距離測量誤差增大。其原因是第一回波不可能作為距離依據，采用的可能是第二回波或第三回波的前沿信號，存在時差問題。在本設計中由于所測的距離較近，所以為了避免信號的飽和，我們只用了兩級放大。 合理調節(jié)電位器 R24，選擇比較基準電壓，可使測量更加準確和穩(wěn)定。實踐證明，比較參考電壓的選取非常關鍵，它與測量靈敏度、系統(tǒng)魯棒性都有關聯。選 小 時 可提高測量靈敏度，便魯棒性下降，容易出現虛假回波被捕捉的情況，選大 時 則情況相反。顯然，按照上圖的設計，當沒有回波信號或回波信號很弱（即超出測量范圍）時，比較器輸出 HIGH 為高電平，反 之。為低電平。 3.3.3 基于 DS18B20 的溫度檢測電路 的設計 溫度測量電路是基于 DS18B20 的線式數字溫度傳感器，電路非常簡潔，具體電路如圖 3-3 所示： (1)DS18B20 的功能介紹 DS18B20 溫度傳感器是美國 DSLLAS 半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比。它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現 912 位的數字值讀數方式。 DS18B20 的引腳判斷方法為：字面對人，從左到右分別是 1（ GND）、 2（輸入 /輸出）、 3（ VDD）。 圖 3-3 溫度測量電路 在圖中，電阻 R3 為上拉電阻，阻值 可選為 5K左右。 表 3-1 DS18B20 分辨率的定義規(guī)定 R1 R0 分辨率 /位 溫度最大值轉換時間 /ms 0 0 9 93.75 0 1 10 187.5 1 0 11 375 1 1 12 750 智能 型 身高體重儀的研制 14 DS18B20 分辨率的定義規(guī)定如表 3-1 所示。 由表 3-1 可見， DS18B20 溫度轉換的時間比較長，而且分辨率越高，溫度數據轉換 所需要的 時間就越長。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。 (2)DS18B20 的工作原理 DS18B20 的測溫原理如圖 3-4 所示： 圖中低溫度系數晶振的振蕩率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計算器 1；圖中還隱含著計數門，當計數門打開時， DS18B20就對溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55所對應的一個基數分別置入減法計數器 1、溫度寄存器中，減法計數器 1 和溫度寄存器被預置在 55所對應的一個基數值。 圖 3-4 DS18B20 測溫原理圖 減法計數器 1 對低溫度系數晶振來產生的脈沖信號進行送行計數，當 減法計數器 1 的預置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，減法計數器 1 的預置值將重新被裝入 ,減法計數器 1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數 ,如此循環(huán)直到減法計數器 2 計數到 0 時 ,停止溫度寄存器值的累加 ,此時溫度寄存器中的數值就是所測得溫度值。 另外，由于 DS18B20 單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化 DS18B20（發(fā)復位脈沖）發(fā) ROM 功能命令發(fā)存儲器操作命令處理數據。 斜率累加器 預置 低溫度系數振蕩器 減法計數器 1 減到 0 計數比較器 預置 溫度寄存器 高溫度系數振蕩器 減法計數器 2 減到 0 智能 型 身高體重儀的研制 15 (3) 溫度數據的計算處理方法 從 DS18B20 讀取出的二進制必須先轉換為十進制，才能 便于對溫度進行補償 。因為從 DS18B20 精度為 912 位可選的，為了提高精度 12 位。在 12 位精度時，溫度寄存器里的值是以 0.0625 為步進的，即溫度值為溫度寄存器里的二進制值乘以 0.0625，就是實際的十進制溫度值。通過觀察可以發(fā)現一個十進制和二進制值之間有很明顯的關系，就是把二進制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個字節(jié)，這個字節(jié)的二進制值化為十進制值后，就是溫度的百、十、個位值，而剩下的低字節(jié)的低半字節(jié)化成十進制值后，就是溫度的小數部分。小數 部分因數是半個字節(jié)，所以二進制值范圍是 0F，轉換成十進制小數值就是 0.0625 的倍數（ 015 倍）。實際應用不必 要求 有這么高的精度， 本系統(tǒng)中 ， 精確到 0.1 ，就能達到我們使用所需的精度 。 3.4 測量體重電路設計 測量體重電路主要由稱重傳感器、前級 處理 電路和 A/D 轉換電路組成。 被測量者站在測量 臺上 時， 通過 稱重傳感器作用輸出毫伏級電壓信號，因為 A/D 轉換器的輸入一般 要求 為伏級電壓信號，所以由稱重傳感器直接輸出的信號需要經過處理后，才能輸入進 A/D 轉換器。前級處理電路主要是對稱重傳感器輸出的信號進行濾波和 放大，使之能夠符合 A/D 轉換器的輸入要求。 A/D 轉換器主要是對輸入的模擬信號進行轉換，使輸出為數字信號，以使 單片機 可以直接的對測量的信號進行處理。 其 測量 電路如圖 3-5 所示： 圖 3-5 測量體重的設計電路 3.4.1 稱重傳感器 （ 1） 稱重傳感器的技術指標 NS-TH150 稱重傳感器由組合式 S 型梁結構及金屬箔式應變計構成，具有Rg1I N +2I N -3V-4Rg8V+7Uo6R E F5I N A 1 2 6C 1 01 0 0 u FC 1 11 0 0 u FC92 2 0 FC 1 22 2 0 FR4 7 5 0R3 7 5 0C8 0 . 1 u FR g 1 3 2 5V C CV+0V - -1V o 12V o 23N S - T H 1 5 0稱重傳感器V+V - -V C C8C L O C K7DI6/ C S5R E F +1A I N2R E F -3G N D4I C L 1 5 4 9P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3智能 型 身高體重儀的研制 16 過載保護裝置。測量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點。廣泛用于各種結構的動 、靜態(tài)測量及各種電子稱的一次儀表。其形狀如圖 3-6 示 : 技術參數 -單位 -技術指標 : a) 額定載荷 (kg):150 b) 額定輸出 (mV/V): 1.5 c) 非線性 (%F.S): 0.03 d) 滯后 (%F.S): 0.03 e) 重復性 (%F.S): 0.03 圖 3-6 稱重傳感器的形狀 f) 零點輸出 (%F.S): 50 嗎？ MOV R5, #20H LCALL COMPARE JC GETSPEED_1 ;40 嗎？ JC GETSPEED_2 ;30 嗎？ MOV R5, #0E0H LCALL COMPARE JC GETSPEED_3 JB FUHAO, GETSPEED_21 ;溫度為負時 ,跳轉 MOV SPEED, #44H ;溫度為正 ,則聲速為 349 MOV SPEED2, #2AH RET GETSPEED_21: MOV SPEED , #3DH ;溫度為負時 ,則聲速為 313 MOV SPEED2, #22H RET GETSPEED_3: MOV R4, #01H 智能 型 身高體重儀的研制 53 MOV R5, #40H LCALL COMPARE ;20 嗎？ JC GETSPEED_4 JB FUHAO, GETSPEED_31; 溫度為負時 ,跳轉 MOV SPEED, #43H ;溫度為正 ,則聲速為 344 MOV SPEED2, #30H RET GETSPEED_31: MOV SPEED, #3EH MOV SPEED2, #4EH ;溫度為負 , 則聲速為 319 RET GETSPEED_4: MOV R4, #00H MOV R5, #0A0H LCALL COMPARE ;10 嗎？ JC GETSPEED_5 JB FUHAO, GETSPEED_41 ; 溫度為負時 ,跳轉 MOV SPEED, #42H ;溫度為正 ,則聲速為 338 MOV SPEED2, #04H RET GETSPEED_41: MOV SPEED, #3FH ;溫度為負 ,則聲速為 325（十六進制數） MOV SPEED2, #7AH RET GETSPEED_5: MOV SPEED, #40H ;溫度為 0,則聲速為 332（這里是十六進制） MOV SPEED2, #0D8H RET ;* ;兩個數據（ 2 字節(jié)）大小比較子程序 ;* COMPARE: CLR C MOV A, TEMP2 SUBB A, #80H JC COMPARE_0 SETB FUAHO ;為負時 ,置符號標志 COMPARE_0: MOV A, R3 MOV B, R5 SUBB A, B MOV A, R2 MOV B, R4 SUBB A, B RET 智能 型 身高體重儀的研制 54 ;* ;超聲波接收中斷 ;* INT0: PUSH ACC PUSH PSW CLR TR0 ;關閉定時器 T0 CLR EA ;關中斷 CLR VIC ;置接收成功標志 MOV R0, TL0 MOV R1, TH0 MOV TL0, #7EH ;定時常數重新裝入 T0 MOV TH0, #0C9H MOV A, R0 SUBB A, #0C9H MOV R0, A MOV A, R1 SUBB A, #7EH MOV R1, A MOV HIGHTIME, R0 MOV HIGHTIME2, R1 MOV R0, 02H MOV R1, 6DH ;把超聲波傳感器離地的距離反射所需時間送入寄存器 MOV A, R0 SUBB A, HIGHTIME MOV R0, A MOV A, R1 SUBB A, HIGHTIME2 MOV R1, A MOV HIGHTIME, R0 MOV HIGHTIME2, R1 ;所得就是人的身高在空氣中反射所需的時間 POP PSW POP ACC RETI ;* ;計算得到身高值 (=算出的計數值 *溫度補償后的聲速在本公式中的值 /1000 cm) ;* HIGH_GET: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18H MOV R2, # HIGHTIME MOV R3, # HIGHTIME2 MOV R1, #SPEED2 智能 型 身高體重儀的研制 55 MOV R0, #SPEED LCALL MUL2BYTE2 MOV R3, #27H MOV R2, #10H ;10000 的十六進制 LCALL DIV4BYTE2 MOV DISPBUF2, R4 MOV A, DISPBUF2 JNZ DIS1 MOV DISPBUF2, #0AH ;最高位為 0 時 ,不顯示 DIS1: MOV A, R0 MOV R0, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #08H MOV R2, #3EH LCALL DIV4BYTE2 MOV DISPBUF22, R4 MOV A, DISPBUF22 JNZ DIS2 MOV DISPBUF22, #0AH ;第二位為 0 時 ,也不顯示 DIS2: MOV A, R0 MOV R0, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00H MOV R2, #64H LCALL DIV4BYTE2 MOV DISPBUF23, R4 MOV A