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智能人体秤的系统设计.doc

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智能人体秤的系统设计.doc

I本科生毕业论文(设计)题目基于单片机的智能人体电子秤的系统设计姓名学号院系电气信息与自动化专业测控技术与仪器指导教师职称讲师2011年月日教务处制基于单片机的人体智能秤摘要随着微电子技术的应用,市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。为了改变传统称重工具在使用上存在的问题,在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。本系统主要由单片机来控制,测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成,加上显示单元,此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。本系统以AT89C52单片机为主控芯片,外围附以称重电路、显示电路、A/D转换电路、键盘电路等构成智能称重系统电路板,从而实现自动称重系统的各种控制功能。主要通过LCD显示人体的体重,经键盘输入身高,结合身高与体重的关系来判别并显示人体的身材。可以说,此设计集称重、判别身材和时间显示一体,功能齐全可进行推广应用,所完成的电子秤很大程度上满足了应用需求。关键词液晶显示传感器单片机III目录1绪论....................................................................................................................................12系统设计................................................................................................................................22.1设计任务及要求..............................................................................................................22.1.1任务...........................................................................................................................22.1.2要求...........................................................................................................................22.1.3说明...........................................................................................................................22.2总体设计方案..................................................................................................................22.2.1设计思路...................................................................................................................22.2.2方案论证与比较.......................................................................................................22.2.3系统组成...................................................................................................................73硬件电路的设计....................................................................................................................83.1外部电路的设计..............................................................................................................83.1.1单片机控制系统.......................................................................................................83.1.2单片机与转换器的接口电路...................................................................................83.1.3液晶显示接口电路.................................................................................................103.1.4电源电路.................................................................................................................123.1.5键盘与单片机接口电路.........................................................................................124软件设计..............................................................................................................................144.1主程序的设计................................................................................................................144.1.1系统主程序.............................................................................................................144.1.2欢迎模块.................................................................................................................154.1.3测量模块.................................................................................................................164.1.4身材模块.................................................................................................................174.1.5时间模块.................................................................................................................184.1.6键盘模块.................................................................................................................195系统测试.................................................................................................错误未定义书签。5.1测试使用的仿真软件.......................................................................错误未定义书签。5.2测试...................................................................................................错误未定义书签。5.3显示时间仿真....................................................................................错误未定义书签。5.4显示体重和身材的仿真....................................................................错误未定义书签。6总结......................................................................................................................................20致谢........................................................................................................................................21参考文献..................................................................................................................................22附录1主电路图.....................................................................................................................23附录2源程序清单.................................................................................................................2411绪论目前,随着社会的发展、生活水平不断提高,人们越来越关注自己的身体健康。许多人由于工作的压力和不良的饮食习惯,使得身体健康每况愈下,疾病也随之而来,而在这些人群中,患有肥胖和营养不良的病人居多。为方便人们及时了解自己的体重是否超出或低于标准的体重,在许多公共场合都摆放了人体秤,商场、药店、马路旁等随处可见,给那些由于工作紧张没有时间到医院做定期体验的人们带来了方便。人体秤已不再是医院的专用医疗器械,已成为人们生活中不可缺少的一部分。普通人体秤测量身高和体重的结果都是直接用眼睛观看指针读取的,由于读数的方法各不相同、读数时光线有明有暗等多种原因,使得读取数据的误差过大。由于人体秤的使用非常普遍,解决这一问题显得尤为重要。近年来,随着科技不断进步,计算机已渗透到各个领域,单片机已逐渐成为科学技术现代化的重要工具,正在不断地走向深入。单片机的应用已深入到人类的生活、生产等各种领域。在此基础上发展起来的由单片机控制的人体称,比普通人体称在耐用性、适用环境、读数的准确度等方面有了很大的提高。智能人体秤经济、实用,适合在广大工薪阶层推广。因此,以单片机为控制核心的人体秤,不但提高了读数的精确度,给人们以直观的效果,将身材标准与否一并显示,与普通人体秤的价格相差无几,逐渐取代传统的人体秤。22系统设计2.1设计任务及要求2.1.1任务设计一个人体智能秤,要求显示人体体重、显示时间、显示身材。2.1.2要求显示人体体重、身材以及显示时间。2.1.3说明(1)人体称重的范围定为10KG100KG,身高的范围为90CM190CM。(2)TJH2C型称重传感器,额定负载为100KG,传感器电路采用的是单臂电桥,只有一个电阻应变片,与其它型号的相比而言价格便宜。2.2总体设计方案2.2.1设计思路通过TJH2C重力传感器对称重信号进行采集,经INA126将称重模拟信号进行放大,通过8位的A/D转换器完成数据采集,再把模拟信号转换为数字信号输入MCU,由MCU完成一系列的运算,最后由LCD显示身材、体重和时间。2.2.2方案论证与比较(1)传感器模块方案一本设计中需要测量的是人体的体重,没有具体的测量的范围,所以本系统中我采用TJH2C型称重传感器,它的测量范围是0100kg,适合大多数的人群,如图21为传感器的原理图。图21TJH2C传感器原理图称重传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成,内部线路采用惠更斯电桥,当弹性体承受载荷产生变形时,输出信号电压由公式1。EoutR2R4/R2R4ΔR1/R1ΔR2/R2ΔR3/R3ΔR4/R4Ein公式1称重传感器是影响人体称测量精度的关键部分。选用适当的传感器,用来感知被测量,当人体站到称盘上时,重力传给传感器,该传感器发生行变,从而使阻抗发生变化,电桥失去平衡,传感器输出一个变化的模拟信号。本系统中采用TJH2C型称重传感器,额定负载为200KG,传感器电路采用的是单臂电桥电路,只有一个电阻应变片,理想情况下,传感器输出信号、放大器输出信号、A/D转换输出信号、人体体重之间的关系基本成线性,放大器的理想放大倍数为327。方案二采用应变片式压力传感器压力传感器是现实中采用并使用的比较多的一种传感器,我们使用的压力传感器主要利用压电效应制造而成的,这种的传感器也称为压电传感器。应变片压力传感器原理如图22图22应变片压力传感器原理图电阻应变片受力产生形变,使加在应变片电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变片电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,在传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。因为应变片产生的阻值变化小,所以在测量时,一旦超过量程的上限值就会损坏仪器,而测量人体体重的变化范围很光。显然,采用此方案不适合。方案选择通过比较,认为本设计相对需要较稳定相对电路简单的传感器,这样可以省下一些时间,因此,选择了方案一。4(2)前端放大器的选择方案一利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度,所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以,此中方案不宜采用。方案二由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放做成一个差放大器,如图23(OP07)。图23差动放大器原理图电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声,C1、C2为普通小电容,可以滤除高频干扰,C3、C4为大的电解电容,主要用于滤除低频噪声。优点输入级加入放大器,增大了输入阻抗,中间级为差动放大电路,滑动变阻器R6可以调节输出零点,最后一级可以用于微调放大倍数,使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器,所以输出电阻不是很大,比较符合应用要求。缺点此电路要求R3、R4相等,误差将会影响输出精度,难度较大。实际测量,每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。方案三采用专用仪表放大器,如INA126,INA121等。以INA126为例如图24。图24INA126放大器原理图此类芯片内部采用差动输入,共模抑制比高,差模输入阻抗大,增益高,精度也非常好,且外部接口简单。放大器增益G580K/Rg,通过改变Rg的大小来改变放大器的增益。方案选择综上所述,选择方案三比较适合本系统的要求。(3)A/D模块方案一双积分型A/D转换器如ICL7135、ICL7109等。双积分型A/D转换器精度高,具有精确的差分输入,输入阻抗高,可自动调零,超量程信号,全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零,所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强,对高于工频干扰(例如噪声电压)已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零,对输出就不产生影响。但是,双积分型A/D的转换速度太缓慢了,这样就无法满足要低功耗的要求,显然双积分型的A/D不适合于本系统的设计。方案二逐次逼近型A/D转换器,如ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D转换,一般具有采样/保持功能。采样频率高,功耗比较低,是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟,基于89C52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。方案选择作为人体秤,系统对A/D的转换速度要求适中,精度上8位的A/D足以满足要求。另外逐次逼近行型A/D转换器,具有低廉的价格。综合的分析其优点和缺点,选择方案二。(4)控制模块方案一采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I\O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能,对数据的处理速度的要求也不是非常高,而且从使用及经济的角度考虑放弃此方案。方案二采用凌阳公司的16位单片机,它是16位控制器,具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断能力强等特点。处理速度高,尤其用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时,由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其他任务的速度和能力降低。方案三采用使用Atmel公司的AT89C52作为系统的的主控制器,AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89C52为嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。方案选择由于本设计要求不高,采用一般的AT89C52即可完成,所以选择方案三。(5键盘模块方案一采用独立式键盘,它是各键盘相互独立地接到单片机的I/O引脚,每一个按键需要占用单片机的一个I/O引脚,这是最简单的键盘结构。但有任何一个键按下时,与之相连的输入数据线即被置为逻辑0(低电平),而平时该数据线上保持为逻辑1(高电平),单片机程序中只要通过查询与键盘相连的I/O脚位即可方便地实现按键处理。不过,这种按键的缺点是按键多时,占用单片机的I/O口线资源。本系统是设计通过人体体重与身高的关系来判别人体健康的程度,所以只需09个数字键和一个复位键,显然占用的I/O线资源太多了,在本系统中不适用。方案二采用并列式键盘可以减少占用单片机I/O口的线资源,而在本系统的设计中采用并列式键盘44,只需要8根I/O口线,并且在键盘上分配很合理,可以设置09个键、一个复位键、小数点。虽然在软件上完成行列式键盘的扫描,编程相对而言很复杂,但这种行列式键盘的扫描程序已经有现成的程序可以借鉴,只需修改就可以使用。方案选择综上分析,选择方案二。(6)显示模块方案一采用LED示显示器在单片机应用系统中,通常使用LED数码管显示器来显示各种数字和字符,由于它有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长的特点,所以使用非常广泛,但是本为要求显示中文,用LED使电路复杂,所以不适合本系统。方案二采用LCD液晶显示器液晶显示器有微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化、接口电路简单等诸多优点,适合推广应用,而且有许多自带中文字库的芯片,适合本系统的设计。方案选择综上分析,选用方案二。

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