带音乐提醒的家庭用体重计本科设计.doc

本科毕业论文(设计)题目： 带音乐提醒的家庭用体重计 学院： 物理与电子科学学院 班级： 2010级电子信息三班 姓名： 赵 萍 指导教师： 李怀繁 职称： 副教授 完成日期： 2014 年 5 月 9 日 带音乐提醒的家庭用体重计摘要：为改变传统的人体秤存在的一些问题，本设计将智能化和人性化加入其控制系统中。本设计是由单片机作为核心，测量体重部分主要由电阻应变片式传感器、模数转换器以及显示单元构成；音乐提醒部分主要由录音模块、喇叭构成。此称重系统系统设计较简单，性价比高，使用直观方便，可以快速准确的测量，自动化程度也很高。本设计的系统以STC89C52为核心控制芯片，外围电路主要有称重电路、数据处理电路、键盘电路、显示电路以及音乐提醒电路等。此设计实现的体重计能够极大地满足了人们的使用要求。关键字：STC89C52；称重传感器；模数转换器；LCD5110； 目 录1 引言12 系统方案22.1 设计原理及思路22.2 系统的实现与优点23 系统硬件的设计33.1 控制处理部分33.2 人机交互部分54 系统软件设计74.1 程序设计74.2 流程图74.3 调试115 总结12参考文献131 引言质量是测量领域内一个非常重要的参数，得到质量所需要的测量工具在很久以前就很被人们重视。出现的测量工具首先是由杠杆原理实现的简单称，如杆秤、天平，使用方便简单；随后出现了由不等臂杠杆原理实现的机械称，如磅秤、台秤，称量范围大但安装不便且成本高；之后的称重系统多是机电结合式的，随着传感器技术的发展，以传感器为称重核心的电子称重系统最为普遍，其结构简单，精度高，易于操作，应用范围很广。随着技术的发展，目前的称重系统也在向小型化、智能化、集成化、系统化发展，其速度、准确性、稳定性、可靠性等技术方面性能越来越好，应用也越来越具有综合性。鉴于现在称重技术等的发展，高智能化的电子类称重系统必将取代传统机械类的称重系统，高智能化且人性化低成本的称重系统必将拥有相当广阔的市场。现在社会称已成为了人们生活中必不可少的一部分，这体现在人们对幸福感的追求意愿越来越强烈的时候，对自己体重方面的要求也越来越高，比如说爱美的女孩子会称体重，时刻通过了解自己的体重变化来确定自己的饮食。并且体重也能反映一个人的健康状况，体重过重不仅会影响美观，还会引起一些疾病，比如说体重过重会导致糖尿病、胆结石，而且脂肪积累会占有身体器官原有的位置，导致身体不适，并且无论男女，体重过重都会怎会增加各种癌症出现的几率；但是体重过轻也并不意味着健康，体重过轻会出现骨质疏松、贫血等疾病，身体消瘦还会引发胃下垂。当然人们可以通过均衡搭配自己的日常饮食，保证每日的运动锻炼、良好的睡眠来控制自己的体重。如果同时搭配使用体重计我们就可以时刻关注了解自己的体重变化，就可以由此来调节自己的饮食、锻炼以及睡眠时间，从而能够更好地达到自己对体重设定的要求。由于人们的懒惰性及对时间的节约，本设计加入了音乐提醒部分，通过音乐的播放提醒人们关注自身体重的变化，不仅让人们获得自己需要的信息而且听着音乐可以缓解疲劳，更符合了人们对于幸福美好生活的追求。同时本设计是适合家庭使用的，设置了A用户与B用户，从而促使人们将控制体重也一起进行，两个人一起进行的好处是：可以互相监督，互相激励，且两个人一起吃苦也是一种幸福。2 系统方案2.1 设计原理及思路称重系统原理：先是由称重传感器获取被测物的重量信息，然后将其转换成电压信号；此输出电压信号很小，需要由放大电路进行准确且线性的放大；经过放大后的模拟电压信号再通过A/D转换电路转换，转换成数字量然后送入到核心单片机中；最后经过单片机控制显示器，在显示器上显示出被测物的重量 1 。录制与播放原理：通过话筒将声音接收，然后通过ISD1820芯片对声音进行存储保存；播放是录制的逆过程。通过电平的控制可实现不同形式的声音播放。本设计需要通过单片机对于称重系统的数据的处理来控制音乐的播放。按照方案的的基本原理思路如图2-1，可以将系统分成几个部分，依次为数据采集、控制器、人机交互界面以及音乐提醒部分。其中数据采集模块是由电阻应变式传感器、放大电路等构成。然后将转换后的数字电压信号送到控制器中进行处理，通过按键决定如何处理数据，在控制器完成数据处理之后，再通过显示器显示最终结果并且驱动音乐提醒部分播放音乐，从而实现人机间的信息交换。本设计对于软件设计部分的要求较高，设计中多数功能是通过软件控制实现的。数据采集人机交互（键盘、显示器、音乐）单片机控制模数转换线性放大图2-1 设计基本思路2.2 系统的实现与优点本设计的体重计系统是由软件与硬件一起实现的。软件是执行程序的总称；硬件是由单片机、输入输出设备等组成的。只有软硬件协调一致的配合，才能有效地提高整个系统的性价比。因此，我们应该在硬件设计中考虑相应的软件设计，该软件也应该考虑相应的硬件结构和工作原理。在此总结一下本设计的一些优点：（1）以单片机2为核心控制芯片，极大的简化了设计的硬件构成，并且单片机的拓展能力很强，便于对系统的拓展从而实现功能的拓展。（2）通过显示器显示的选项以及键盘的控制来满足让人们对于数据的不同要求，操作方便简单。（3）利用LCD液晶屏显示，分辨率高，显示清晰，而且耗能少。（4）利用ISD1820实现音乐的录制与播放，可以针对自己的需求进行音乐的录制与更改。3 系统硬件的设计应变片式传感器HX711模数转换器STC89C52单片机AT24C02LCD5110显示器ISD1820音乐播放键盘控制图3-1 整体过程图3-1为本次实际的过程展示，以下为对各个模块的具体分析。3.1 控制处理部分电阻应变片式传感器3是由弹性敏感元件与电阻应变片组成的。当力敏型弹性元件受到被测物作用时，将发生形变，则粘贴在弹性体上的电阻应变片将形变转换成电阻的变化。从而，被测物体的质量信息转换为电阻的变化。为便于显示、记录等，需要将电阻的变化转换成电压或者电流信号以实现应变量的最终测量。电阻的变化的测量一般是采用桥式电路。如图3-2测量电桥，它能够改变桥臂参量为输出电压或电流的变化。当桥臂为电阻应变片式传感器时，就能够将电阻值的变化（质量信息）转变为易于传输的电压信号。 图3-2 电桥电路STC89C524芯片它具有8K的可编程闪存、32位输入输出口线、4K的EEPROM、多个定时器以及外部中断、256字节随机存取数据存储器，虽然仍使用MCS-515内核，但是拥有的8位微控制器更加灵活，并且还支持串行的下载方式，使其应用更为广泛。STC89C52RC单片机相较于 8051 单片机功能更加的强大，使用起来也更加的方便，也更加容易理解。STC89C52引脚如图3-3。VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VSSSTC89C52RC 图3-3 STC89C52引脚图现主要解释一下其P3口的第二功能6功能，如表3-1。表3-1 P3口第二功能I/0端口第二功能P3.0串行口输入(RXD)P3.1串行口输出(TXD)P3.2外部中断0(INT0)P3.3外部中断1(INT1)P3.4定时器0输入(T0)P3.5定时器1输入(T1)P3.6外部RAM写(WR)P3.7外部RAM读 (RD)HX711是一种高精度的24位的模数转换芯片，它的内部集成了一些其他同种芯片所必须的一些外围电路，比如说稳压电源。高度集成的HX711芯片其数据处理速度很快，这降低了体重计本身的成本，而且提高了它的整体性能。HX711引脚图如图3-4，图中还给出了各引脚的功能。DVDD数字电源RATE 输出速率控制输入XI 外部时钟输入XO 晶振输入DOUT串口数据输出PD_SCK串口时钟输入INPB 通道B正输入INNB 通道B负输入稳压电源电路 VSUP稳压电源控制输出 BASE模拟电源 AVDD稳压电源控制输入 VFB模拟地AGND参考电源输出 VBG通道A正输入INNA通道A负输入 INPAHX711图3-4 HX711引脚AT24C02是一个低工作电压的串行的可编程电可擦除ROM。它最大的优势在于有一个专门的写保护功能，信息在掉电之后不会丢失。3.2 人机交互部分LCD5110是点阵LCD，能够显示4行汉字。采用串行方式与CPU进行通信，它的接口信号线很少，包括地线与电源线在内共只有九条信号线，其余的7个信号线分别为RST（复位）、CS（片选）、D/C（数据和命令切换脚）、DIN（数据输入）、 CLK（时钟引脚）、BL（背光控制开关）、SCL（E2PROM时钟）、 SDA（E2PROM数据引脚）。LCD5110不仅有上述的优点，相比较LCD1602还有以下的优势：性能价格比高，虽然5110液晶不仅可以显示几乎与LCD1602相同数量的字符，而且还可以显示15个汉字，且市场价低于LCD1602；显示速度比LCD1602快得多；接口简单，加上电源线与地线总信号线只有9根，并且只要4根I/O线就可以驱动，而LCD1602却需要11根；工作电压只有3.3V，并且在正常显示情况下的工作电流最多为200微安。ISD1820是一种十分成熟的可进行语音录制与回放的芯片，它的内部含有振荡器等，可以很简单方便的设置它的循环方式，可以实现高质量及自然的语音的还原，语音回放时间长达20秒；而且可点动播放，具有单边播放功能。对ISD1820的控制可以通过单片机也可以只通过按键控制。其结构7如图3-5所示。图3-5 ISD1820结构图主要引脚及其作用：电源引脚(VCC)将芯片内部的数字电路、模拟电路中的电源总线汇合，能够使噪声最小，地(VSSA, VSSD)与电源VCC类似，将所有芯片内部的地线汇合；录音引脚(REC)是高电平有效，只要为高电平芯片就开始录音且要保证其为高电平，当变为低电平或者内存已满时，录音结束；电平触发放音引脚（PLAYL）是当低电平变为高电平并保持一段时间时，开始播放音乐，直到电平又变为低或者播放完成将停止放音；当给到边沿触发放音引脚(PLAYE)以电平由低到高时，芯片播放声音，开始播放音乐了就可以将PLAYE放开，播放的音乐会因为内存结束或者PLAYE回到低电平而停止。电源接通（3至5伏），按住REC录音键不要放开就会实现录音，录音结束松开即可停止。通过上述引脚介绍可以得到ISD1820播放音乐有以下3种情形：按住PLAYE键，即完成边沿触发方式下的播放声音，按下之后会播放录制的全部声音；按住PLAYL键，即完成电平触发方式下的播放声音，按键松开就会停止播放；闭合循环播放开关之后按下PLAYE键即能实现循环播放声音，只有在断电情况下才会停止。 在直通情况下即闭合直通开关之后，该芯片就会成为一个扩音器，即当人们对着喇叭喊话是，声音会以扩大音量的形式播放出来。4 系统软件设计4.1 程序设计程序设计是比较复杂的，因此我们要对其有一个清晰的认识，程序设计可以通过3步来逐步完成： （1）根据所要设计系统的要求来确定算法即具体分析复杂问题，找到合适的计算方法及数据结构； （2）画出流程图：程序流程图简称流程图8，它具体形象的描述了人们解决问题的思路与方法。在设计程序之前画出流程图很大程度上帮助了我们理清整体以及各部分的思路，它的实现是用各种确定的符号框来表示不同性质的操作，然后用带箭头的流程线将这些操作连接即可。 （3）编写程序：根据流程图使用适当的指令，并将它们准确的连接起来，各个部分之间要进行适当的组合与嵌套。在此我们将选用C语言进行编写程序，主要原因为：C语言既有像高级语言面向用户的特点，又有像汇编语言可对机器硬件操作的特点，它处理数据的能力很强，可移植性好9，因此很适合编写需要对硬件操作的软件程序。在编写程序过程中可以通过硬件的反映来更好的对软件进行修改。 （4）运行程序并分析结果。4.2 流程图对本设计中的软件设计全部采用模块化的设计方法，根据对所要实现带音乐提醒、供家庭使用的体重计的充分了解，现将系统的软件设计部分进行分解，主要有：主程序、初始化子程序、数据采集子程序、定时中断程序、键盘控制保存与否子程序、LCD液晶显示子程序以及音乐提醒子程序。所有的程序都用C语言来编写。主程序就是能够调用其他程序（即为子程序）但其本身不能被其他的程序调用的程序。主程序给出的是系统的基本工作过程与信号流向，同时还通过调用如初始化、液晶显示等子程序来实现功能，主程序流程图是对主程序的一个形象生动的描述，能够更清晰的展示出工作的总体过程、信号的基本流向。图4-1即为改设计的主程序流程图。 选择用户上次体重本次体重音乐2音乐1恭喜！保存？比上次重开始A/BCNY图4-1 主程序流程图数据处理模块将从传感器获得的电压信号转化成为24位的二进制数，并经过校准将其换算成准确的重量。 实现准确显示重量的过程：首先记录空称是显示的数据，通过记录已知重量的不同物体经过称重的显示数据，利用MATLAB进行线性仿真10，实现电压信号到物体重量的转化，经过仿真得到的换算公式为: (1-1) 式中：temp被测物重量/Kg；count有被测物时读出传感器的数；cl空称时读出传感器的数。将各位数据取出最后显示出来。部分计算程序如下：ReadCount(); /取出数据temp=(Count-cl)/10000*0.05/2; /计算得重量tem1=temp/1; /处理数据以便显示LCD_printn(5, 5, tem1, 1); temp=temp*10;tem=(uchar)temp%10;图4-2即为其流程图。取数counttemp=(count-cl)/40000000整数：temp/1tem=uchar（temp*10）小数：tem%10开始图4-2 数据处理流程图显示子程序主要是用来提醒用户如何使用（选择顾客，是否保存等），以及如何显示数据，是人与硬件机器交换信息的重要部分。下面是液晶汉字输出(16*16字体)子程序：unsigned char i, j;x = 4; /字宽16y = 1;/字高16for(j = 0; j 2; j+)LCD_pos_byte(x, (y + j); /坐标for(i = 0; i 16; i+) LCD_write_dat(h_dat16 * j + i);其流程图如图4-3：NY显示初始化界面显示重量以及文字有无按键开始图4-3 显示流程图 音乐提醒模块完成的是在单片机根据数据处理结果的不同来播放不同的音乐，同时本设计中用户可以根据自己的喜好设置音乐，以达到提醒和放松的目的，流程图如图4-4。YNYNPLAY高电平播放音乐REC高电平录制音乐开始图4-4 音乐播放与录制流程图键盘扫描模块是将按键对应单片机上的一个确定的输入输出口，如果键按下将给单片机此端口一个高电平，从而进行数据处理或者功能选择，其部分程序如下：if(Aa=0)Aflag=1; /按下A之后标志位置1，其他为0LCD_clr_scr();Bflag=0;NOflag=0;while(Aa=0); /A的松手检测流程图如图4-5。YN按键按下显示初始化界面调用LCD显示或保存开始图4-5 键盘扫描流程图4.3 调试 将单片机首先与各部分如存储部分、显示部分、称重部分连接，连接好线路通过软件编程然后烧录程序，由此判断器件是否完好以及确定各部分的实现子程序；对整个系统的软件先是进行初始化，同时硬件部分要根据位定义将全部器件连接，随后进行整个系统的编程，编程过程中要依据硬件要求来实现，通过烧录程序然后观察结果来进行修改程序的工作，编程修改是一个长时间的过程，要求自身在编程过程时刻保持对整体系统的清醒的把握。在烧录程序的过程中出现的比较严重的问题且对其进行的分析如下：本设计要求在称体重之后按结束按键即st=0，但结束键按下时就会在屏幕显示出是否保存字样，保存之后进行比较，若大于小于则音乐提醒，等于显示“恭喜”，但是保存之后总是显示“恭喜”，并没有实现音乐提醒的功能，经过分析发现其原因为初始要求的为节约存储地址将同一用户的数据保存到同一地址，但是也因此在保存之后导致了数据覆盖，从而每次比较都是相等。分析之后做出了这样的修改将保存现在体重（即将现在体重写入存储器）放置到比较之后，这样就完成了比较以及音乐提醒功能。在对程序进行调试不断地修改以及烧录之后，最终本设计在初始所预想的功能都已实现，实物图如图4-6。（a）使用中的重量称的全景 （b）按键控制选择用户 （c）显示本次及上次重量图4-6 实物展示5 总结这次毕业设计我所做的是带音乐提醒功能的家庭用体重计，从开始的确定设计方案、选择合适的芯片到最后完成实物，每一步对我来说都是一种尝试与新的考验。比如说在这次设计中我对单片机P3口第二功能的新的认识，知道了不仅可以用单片机开发板，还可以通过串口通讯输入与输出进行烧录程序的工作。像以前学过的有关单片机、传感器的一些基础知识在应用中与软件设计的结合要通过一些以前没有接触过的软件，比如要用keil进行编程，要用STC_ISP进行烧录程序，从而实现功能。刚开始根本不会使用，通过同学的讲解学到很多，但是还需要以后在使用中进一步学习。当然这次的设计还有一些方面有待提高，比如说称的精确度、稳定性，但是在设计过程中我对软硬件的设计有了进一步的掌握，而且对于STC89C52、HX711、ISD1820等芯片等有了更深一步的了解，最重要的是这次设计提升了我的动手实践能力。参考文献1 张毅刚，新编MC5-51单片机应用设计M.北京：清华大学出版社，2008:20-35.2 姚彬.电子元器件与电子实习实训教程M.北京：机械工业出版社，2009：82-95，232-234.3 李晓莹.传感器与测试技术M.北京：高等教育出版社，2004：103-116.4 徐爱钧.单片机原理实用教程M.北京：电子工业出版社，2011：65-68.5 楼然苗.51系列单片机设计实例M.第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2006:33-45.6 Kenneth Ayala.The 8051 MicrocontrollerM. 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