基于51单片机的可穿戴式电子秤设计与实现毕业论文.doc

1 基于 51单片机的可穿戴式电子秤设计与实现 【摘 要】本设计以 51单片机模块设计、a/d 转换模块、传感器为核心部份， 实现人体尺度的基本系统的硬件部分包括数据采集与处理模块、cpu 控制模 块、液晶显示模块、电源模块。数据采集及处理模块由称重传感器，放大电 路和 a/d转换电路组成，本设计采用的是 hx711集成芯片。cpu 控制模块主 要外部扩展电路；液晶屏显示模块。可以直接在显示屏上显示,非常人性化； 无线传输模块采用 fbt06_v2进行数据的发送与接收。系统电源使用 220v进 行降压处理所得正常工作电源。本智能秤平衡系统的设计，显示器可以拿在 手上读数据，用户不要低头看体重。使用方便，具有一定的开发价值。 【关键词】 51 单片机；传感器；a/d 转换模块 wearable wireless weight measurement instrument research and implementation 【abstract】 the design system microcontroller to stm8s003f3p6 to control the core hardware part of the basic system of the human scale, including data acquisition and processing module, cpu control module, wireless transmission module and lcd touch screen display module, clock module, power supply module and five. data acquisition module by the load cell amplification circuit and a / d conversion circuit, the design is the hx711 integrated chip. cpu control module including stm8s003f3p6 and external expansion circuit; lcd touch screen display module for touch color display, intuitive display that was the historical weight value on the display, and can be directly related to the operation, is very user-friendly 。system power 220v-buck treating the resulting work properly power.the intelligent wireless body scale system uses a split design, you can display in your hand to read the data, users do not have to look down at the weight. users to be able to clearly see the changes in their weight, easy to use, has a certain value for development. 【keywords: hotel】stc89c51；single chip； 2 目录 1绪论4 1.1 设计背景及意义 4 1.2 设计内容及关键技术 4 1.2.1电子秤的工作原理 .4 1.2.2电子秤的计量性能 .5 2设计方案与基础 6 2.1设计方案 6 2.2 mcs-51单片机及开发环境介绍 .6 2.2.1 51单片机的介绍 6 2.2.2 开发环境的介绍 7 3硬件设计 8 3.1 硬件总体设计 8 3.2 主控制模块 8 3.3 传感器模块 8 3.4 显示模块 9 3.5 ad转换模块 11 4 单片机软件设计 12 4.1 总体设计 .12 4.2 主程序模块 .12 4.3 ad模块 13 4.4 液晶显示程模块 .13 5系统测试 .16 5.1单片机基本电路的调试 .16 5.2传感器称重调试 .16 6 开发与体会 17 3 致 谢 18 参考文献 19 第一章 绪 论 1.1 设计背景及意义 伴随着社会的迅速发展和人民生活水平的提高，人们愈来愈关注自身的 身体健康问题。很多人因为工作的压力和不良的饮食习性，身体情况越来越 差，疾病也伴随而来了，然而在这些人群中，患有肥壮和营养不良的病人占 大多数。所以，拥有一台能够时刻关注自己体重的人体秤非常必要。现在市 场上有各种类型的人体秤，人体秤已然成为家庭保健的必需品，但目前绝大 多数的人体秤依然是传统的技术，测量数据是离散的，而且功能相对单一， 对健康评价的意义并不大。 我所设计的可穿戴式体重测量器设计，可以将 拿显示器在手上读数据，用户不用低头看体重，本设计所采用的是 24位 a/d 转换芯片，测量数据精准、方便、简单、快捷，可以随时随地查看自己的体 重，让人们可以时刻关注自己的健康问题。 1.2 设计内容及关键技术 本设计是基于 51单片机的可穿戴式电子秤，采用的传感器是应变片式 称重传感器，量程范围为 0150kg；a/d 转换芯片采用的是一款专为高精度 电子秤而设计的 24位 a/d转换器芯片 hx711。整个系统有发送和接收两个部 分.发送部分以 stc89c51单片机为中心，传感器经过放大电路来采集数据， 经 ad采样电路后发送到单片机模块进行处理，把处理好的实际值送到发送 缓冲区。 接收缓冲器将接收到的体重数据发送到最后重量的液晶显示屏上。 本课题关键问题： 1. 硬件电路的 pcb板设计焊接与电路的调试。 2. 嵌入式编程 3.称重传感器数据的读取与处理。 4.液晶显示屏界面的设计。 4 1.2.1电子秤的工作原理 可穿戴式体重测量主要有传感器、a/d 放大电路、单片机模块、液晶显示 四部分组成。其中最重要的是称重传感器。当有物体压在传感器上面时候， 传感器得到一个模拟信号，然后把模拟信号发送到 a/d转换器里面将其转换 为数字信号，经过放大以后放到单片机模块，最后由单片机模块发送到液晶 显示屏上面显示。 1.2.1电子秤的计量性能 电子秤的主要技术指标包括：分度值、范围、划分数等。 (1) 范围：电子称是在正常工作，最大测量体重值。 (2) 分度值：电子秤的测量标准被分为若干等份，每份值即为分度值。 (3) 分度数：电子秤测量分成几个部份，总份数即为分度数用 n表示。 5 2设计方案与基础 2.1设计方案 根据系统任务的的需求，本次方案设计主要由五部分构成：信号采集部 分、模数转换部分、lcd 数据显示部分、主控制器部分和电源部分，系统设 计方案如图 1所示： 图 1方案设计框图 硬件方案 硬件电路由 5个部分组成，即电源电路、时钟电路、复位电路、lcd 数字显示电路以及 a/d转换电路 各部分功能实现如下： 电源电路：为整个系统提供+5v 电压，保证系统正常工作 键盘输入电路：提供按键信号 时钟电路、复位电路：单片机正常工作需要 lcd 数字显示电路：用于实时显示经数模转换后的数据 a/d 转换电路：将采集的模拟信号转变成数字信号 软件方案 此次方案的软件部分完成的功能主要有：数模转换、数据处理和 lcd 实时显示。 各模块任务实现如下： 6 a/d 转换模块：对采集到的模拟信号进行数字化处理并送给单片机 数据处理模块：对通过 a/d转换得到的数据乘以一个转换系数，得 到实际重量 lcd 数据显示模块：实时显示采集到的信息状态 2.2 51单片机及开发环境介绍 2.2.1 51单片机的介绍 stc89c51是深圳宏晶科技公司生产的与产业标准 mcs-51指令集和输出 管脚相兼容的单片机。stc89c51 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。在单芯片上，拥有灵巧的 8位 cpu和 在系统可编程 flash，使得 stc89c51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 超有效的解决方案。 具有以下标准功能：8k 字节 flash，512 字节 ram，32 位 i/o口线，看门狗定时器，内置 4kb eeprom，max810 复位电路，2 个 16 位 定时器/计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口。另外, stc89x51可降至 0hz静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模 式下，cpu 停止工作，允许 ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉 电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直 到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35mhz，6t/12t 可选。其 pdip 封装如图 2.1所示。 7 2.2.2 开发环境的介绍 keil c51是美国 keil software公司出品的 51系列兼容单片机 c语言 软件开发系统，与汇编相比，c 语言的功能、结构、可读性、可维护性具有 明显的优势，所以很容易学习和使用。它是本设计的编程环境，keil 提供了 一个完整的发展计划包括 c编译器、宏汇编器、连接器、库管理和一个功能 强大的仿真调试器，经过一个集成开发环境（uvision）将这些部份组合在 一起。运行 keil软件要求要用 win98、nt、win2000、winxp 等操作系统。 假如你利用 c语言编程，那么 keil几乎就是你的不贰之选，如果是不使用 c语言而只用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试 工具也会令你事半功倍。 8 3硬件设计 3.1 硬件总体设计 本次方案的设计采用的是应变片式传感器进行重力测量，获取模拟信号； 继而把得到的模拟信号通过信号放大器对其功率放大，并送到a/d转换器进 行模拟量和数字量的转换处理和数据处理；最后，通过stc89c51单片机控制 smc1602a液晶屏来实时显示转换后的数据。故本系统主要由重力传感器模块、 a/d转换模块、主控器模块和lcd显示模块组成,共同完成这次设计的任务， 硬件方案设计总体框图如下所示： 图 1 单片机电子秤硬件方案 9 3.2电源电路 首先，我们要明白-对于任何一个基于 51单片机设计的系统电源的供应 是必不可少的，由于单片机属于微型控制计算机，所以承受不了过大的电压， 一般的情况下，只需对其外供+5v 电压即可保证单片机正常工作。一般的设 计方案由 usb直接供电和采用三端稳压芯片 7508+整流桥来实现对单片机的 供电。 此次方案的电源设计部分，由于外供+9+36v 电压，故直接通过三端稳 压芯片 7805和若干电容、电阻对外供电压进行降压并稳压处理，省去了整 流桥，从而达到为单片机 stc89c51提供+5v 工作电压的目的。设计原理如图 所示： 10 3.3主控制电路 本次设计的方案主控制器主要采用 stc89c5单片机，为了保证单片机系 统的正常工作，其外围必须构建复位电路和时钟电路，主控制器电路如图所 示。 11 3.1.1单片机复位电路 复位要求 单片机复位的原理是，在时钟电路开始工作后，在单片机的 rst施加 两个机器周期以上的高电平，单片机即可实现复位。在复位期间单片机的 ale引脚和 引脚均输出高电平。当 rst引脚从高电平跳变为低电平后，psen 单片机便从 0000单元执行程序。 在实际应用中，采用外部复位电路来进行单片机复位一般在 rst引脚保持 10ms以上的高电平，保证单片机能够可靠的复位。 复位操作方式 复位操作根据实际需求分为上电自动复位、按键电平复位和外部脉 冲复位。 在本系统中采用的是既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这 样可以实现人工复位单片机系统。这种电路设计如图所示。上电复位部 12 分的原理也是 rc电路的充放电效应。除了系统上电的时候可以给 rst引 脚一个短暂的高电平信号外，当按下开关的时候，vcc 通过通过一个电阻 接到 rst引脚，给 rst一个高电平；按键松开的时候，rst 引脚恢复为低 电平，此时复位完成。 3.1.2单片机时钟电路 振荡器和时钟电路用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。 at89s51单片机采用 cmos工艺，内部包含一个振荡器，可以用于 cpu的 时钟源；也允许采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内 部 cpu运行使用。此次设计采用内部时钟模式作 cpu的时钟源。 at89s51单片机内部包含一个高增益的单级反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2分别为片内反相放大器的输入端口和输出端口，其工作频率为 033mhz。 当单片机工作于内部时钟模式时，只需在 xtal1和 xtal2引脚连接 一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，如图所示。 。 图 3-6 在使用是，对于电容的选择有一定要求，即： 当外接晶体振荡器时，电容值一般选择 c1=c2=3010pf 当外接陶瓷振荡器时，电容值一般选择 c1=c2=4010pf 13 在实际电路设计时，应该注意尽量保证外接的振荡器和电容尽可能地靠近单 片机的 xtal1和 xtal2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够 稳定可靠地为单片机 cpu提供时钟信号 3.4 信息采集模块 针对此次设计的功能要求，信息采集部分的称重传感器常见有压电式 传感器、电容式传感器和电阻应变式压力传感器，但由于此次设计的是比较 精密的电子秤，电阻应变式压力传感器在这方面具有得天独厚的优势，所以 本次设计方案最终选用电阻应变式压力传感器作为整个系统的信息采集部分。 电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等构成，其 核心部件就是电阻应变片。它的内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载 荷发生变形时，电阻应变片（转换元件）在被拉伸或压缩变形后，其电阻会 发生变化（增大或减小） ，则会使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供 后续电路测量与处理。电阻应变式传感器结构原理如图 2所示。 图 2 应变式传感器结构示意图 14 3.5 a/d转换模块 本次设计主要采用 24位 a/d 转换器芯片 hx711来实现模数转换，在 设计高精度电子秤时它是电子产品设计师的首选。该集成芯片的主要优势在 于高集成度、快速反应、抗干扰性强等。对于低成本的电子秤而言，可以提 高整体性能和可靠度。 另外，该芯片与单片机 stc89c51的接口和编程都非常简单，控制信号全 部由其对应引脚启动，无需额外再对芯片内部的寄存器编程。选择输入开关 可随意选取 a通道或 b通道，并且与其内部的低噪声可编程放大器相连。a 通道的可编程增益为 128 或 64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为 20mv或40mv。b 通道则固定增益为 32 ，用于检测系统参数。芯片内的 时钟振荡器不需要任何外接器件，上电自动复位的功能大大简化了开机初始 化过程。 15 hx711管脚图 引脚功能如下： 1. vsup: 电源 稳压电路供电电源: 2.6 5.5v（不用稳压电路时应接 avdd） 2.base: 模拟输出 稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接） 3 avdd 电源 模拟电源: 2.6 5.5v 4. vfb: 模拟输入 稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地） 5. agnd: 地 模拟地 6 vbg: 模拟输出 参考电源输出 7. ina-: 模拟输入 通道 a 负输入端 8. ina+: 模拟输入 通道 a 正输入端 9. inb-: 模拟输入 通道 b 负输入端 10. inb+: 模拟输入 通道 b 正输入端 11. pd_sck: 数字输入 断电控制（高电平有效）和串口时钟输入 12. dout: 数字输出 串口数据输出 13. xo: 数字输入输出 晶振输入（不用晶振时为无连接） 14. xi: 数字输入 外部时钟或晶振输入；0: 使用片内振荡器 15. rate: 数字输入 输出数据速率控制，0: 10hz; 1: 80hz 16. dvdd: 电源 数字电源: 2.6 5.5v 此次设计的 a/d转换原理图 hx711的11引脚和12引脚分别和单片机 p1.0 16 端口和 p1.1端口相连接，实现数据的通讯。hx711的7引脚、8引脚、9引脚和 10引脚分别和将电阻应变式压力传感器信号放大的功率放大器相连接，从而 构成一个完整的 a/d转换电路，如图所示: a/d转换电路图 17 3.6 lcd显示电路 smc1602a液晶显示器是常见的 16x2字符型液晶显示器，此次采用带背 光的 1602液晶显示屏作为实时显示数据模块。 16脚的 1602lcd引脚接口及说明如下所示: 1602管脚图 1602管脚说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 vss 电源地 9 d2 数据 2 vdd 电源正极 10 d3 数据 3 vl 液晶显示偏压 11 d4 数据 4 rs 数据/命令选择 12 d5 数据 5 r/w 读/写选择 13 d6 数据 6 e 使能信号 14 d7 数据 7 d0 数据 15 bla 背光源正极 8 d1 数据 16 blk 背光源负极 此次的液晶显示模块原理设计如图所示。其中，第 1脚接 gnd；第 2脚 为液驱动电源接 vcc；第三脚 vl为液晶的对比度调节端口，经过在 vcc和 gnd之间接一个 10k滑动变阻器，中心抽头接 vl，可实现液晶对比度的调节； 液晶的控制线 rs、r/w、e 分别接单片机的 p2.2、p2.1、p2.0；数据口接在 单片机的 p0.0p0.7 口；bl+、bl-为液晶背光电源，分别接 vcc和 gnd。 18 如图 1602 液晶模块的接线图 19 4 单片机软件设计 4.1 软件总体设计 本设计选用的是 c语言编程，以 keil c51软件为编译环境，实现编辑、 编译、连接、调试、仿真等全部开发程序。 本次方案的软件设计采用模块化程序设计，主要包括主体程序、初始化 程序、a/d 数据转换处理程序以及 lcd液晶显示程序。采用此种方法的软件 设计主要优点在于-结构清晰、编程简单和容易理解，同时也方便调试和修 改。 图 10 程序结构 20 4.2主程序模块 程序固化在stc89c51快闪存储器系统，包括主程序和子程序。主程序的 功能是系统初始化，管理和调用各个子程序。本设计的流程图如图11所示。 21 图 11 程序流程图 代码如下： void main() uint m; init_1602(); /1602初始化 22 for(m=0;m8 ; ad2=ad2+ad1; delay(1); ad3=(float)(ad2/20.0) ; ad2=0; ad4=(ulong)(ad3); zero=ad4; while(1) ad_zhuanhua(); if(ad4=zero)ad4=ad4-zero; else ad4=0; zhong=ad4*xishu;/计算重量 ad4=(ulong)(zhong*1000); write_zfc(0x80,“weight=“); write_com(0x87); write_dat(tablead4/10000); write_dat(tablead4%10000/1000); write_dat(.); write_dat(tablead4%1000/100); write_dat(tablead4%100/10); write_dat(tablead4%10); write_dat(k); write_dat(g); 23 4.3 a/d转换程序模块 模数转换程序功能是将读取的模拟信号进行量化处理转变成数字信号并 传送给单片机存储和处理的程序。设计流程图如图所示： a/d转换器部分代码如下： /*ad转换控制程序*ad.h*/ void ad_zhuanhua() uchar k; for(k=0;k8 ; ad2=ad2+ad1; ad3=(float)(ad2/10.0) ; ad2=0; ad4=(ulong)(ad3); 4.4 数据处理程序模块 数据处理这一块的软件设计主要思想是：通过a/d转换存储在单片机里 的数字乘以转换系数0.0005714，来实时显示物体的真实重量。 数据处理程序代码如下： while(1) ad_zhuanhua(); if(ad4=zero)ad4=ad4-zero; else ad4=0; zhong=ad4*xishu;/计算重量 ad4=(ulong)(zhong*1000); write_zfc(0x80,“weight=“); write_com(0x87); write_dat(tablead4/10000); write_dat(tablead4%10000/1000); write_dat(.); write_dat(tablead4%1000/100); write_dat(tablead4%100/10); write_dat(tablead4%10); write_dat(k); write_dat(g); 25 4.5 lcd显示程序模块 本次 lcd液晶显示程序直接调用“1602.h“库函数来实现其功能，为设计 任务省去了好多麻烦，从而节省了大量时间。针对 smc1602a 16*2液晶显示 器的程序编写主要包括读和写两种功能，因此想要清楚地编写显示程序，必 须理解 1602芯片的时序图，这对于准确编写程序有很大帮助。如图所示是 1602液晶显示器进行读/写操作时，引脚 4、引脚 5和引脚 6的状态定义和 相应时序图： 读状态 输入 rs=l，r/w=h，e=h 输出 d0d7=状态 字 写指令 输入 rs=l，r/w=l，d0d7=指令码， e=h 输出 无 读数据 输入 rs=h，r/w=h，e=h 输出 d0d7=数据 写数据 输入 rs=h，r/w=l，d0d7=数据， e=h 输出 无 26 如图 1602 液晶模块的读操作时序 1602液晶模块的写操作时序 部分代码如下： 1602液晶显示部分程序如下： /*1602控制程序* 1602.h */ void write_zfc(uchar dizi,const uchar *str) /1602写字符串 write_com(dizi); while(*str!=0) 27 write_dat(*str); str+; void init_1602() /1602初始化 en=0; write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); 28 29 5系统测试 5.1单片机基本电路的调试 可穿戴式体重测量仪器硬件的元器件都焊接好以后，然后再进行程序的 编译。将编译和调试经过的程序代码烧录到 stc89c51集成开发芯片中，然 后测量一下接地引脚和电源引脚之间地电压，看是否与电源电压一致，比如 常用的 5v电压。而后再检查复位件地引脚电压是不是达到正常状态。按顺 序检测放开复位按钮和按下复位按钮的电压值，看是不是准确。然后检查晶 体是正确的吗，一般用示波器观察晶振引脚的波形，特别是应该使用示波器 探头的“x10”档。在调试系统的时候要非常耐性，不能担心，要坐下来一 点点的来检测，不能着急，否则会影响整个设计的结果。 5.2传感器称重调试 可穿戴式电子秤的硬件体系的电路生产完成所有的焊接和调试，程序可 以编译和下载到单片机里面调试和运行。按照实际情况能够经过修改传感器 产生的子程序每次发送的重量和测量的时间间隔，来适应不同时间的衡量标 准的需求。根据电路的参数和程序的设计，测重量范围可以测体重约为 05kg，最大重量的测量误差不能超过 0.0004kg。系统调试完成以后要对测 量误差和反复率进行几次实验剖析，对系统不断优化让其实际生活中的衡量 需求。误差的范围涉及广泛，以下是有关的数值误差： 实际重量（kg） 测量重量（kg） 最大误差值(kg) 3 2.9999 0.0001 4.3 4.2879 0.0121 3.83 3.821 0. 30 6 开发与体会 通过几个月对应变式传感器、单片机模块和 c语言编程的认真研究和学 习，让我对电子产品核心模块的设计有了非常深刻的了解，感谢学校在毕业 之前给我们安排了一个这样的动手实践的机会。 本次设计我做的是基于 51单片机的可穿戴式体重测量仪，这个系统主要 就是来测量人的体重。这部分所用到的主要是单片机模块、传感器模块、 a/d转换模块，在这之前我已经花费了几个月系统的学习过了单片机和传感 器，对 a/d转换模块也相当的了解了。并做了课程设计，所以对单片机的应 用还是比较熟练的，而且此次的设计让我对单片机内部结构及功能部分有了 更加深刻的了解。其实衡量体重部份的关键在于称重传感器的选取，由于一 开始我对称重传感器和压力传感器的了解不是很明白，造成一些概念上地混 乱，导致在整个设计的过程中我走了一些弯路，做了无用功。然而它也提醒 了我，我认为以后不管做什么事情首先要把概念先弄清楚，不要盲目的下手。 这样不仅可以缩短我们做事情的工作时间而且也不会让自己的思维产生局限 性。 同时称重部份的放大电路的设计也是非常关键的问题，即使在测量体重时候 对测量精度的要求不是非常的高， 然而这部分的抗干扰设计会影响到整个 仪器的抗干扰性能，所以在设计这部分花费的时间相当的多。 因为整个系统都依靠软件来实现控制，因此在这里编程就显得相当重要 了，不过编程对我来说有点困难，因此在软件设计方面存在很多的困难，以 后我会加强这一方面的练习，希望自己的编程水平以后能有一个很大的提高。 然而对硬件方面的焊接、版图的设计、画图和排版对我来说都是很简单的事 情。因为我曾多次做一些设计，所以也比较熟练了。 总而言之，学校在我们毕业之前给我们安排了一个这样的实