毕业设计（论文）-智能型身高体重仪的研制.doc

智能型身高体重仪的研制1 智能型身高体重仪的概述身高体重仪，早已被广泛用于家庭和平常的生活中，使人们对自己的身体状况有更好的掌握，更好的提高人们对健康的认识。传统的身高体重仪器一般为机械结构，这种仪器需要人工操作，不能显示，数据需要通过指针和刻度盘来读取，这种仪器用起来很不方便，而且它的误差也比较大，有仪器自身误差，也存在人为的在读取时所产生的随机误差等。近年来，市面上也大量流行着能测人体身高和体重的电子人体称，它能自动测量出人的身高体重值，并配有打印机输出和语音播放电路，在很大程度上提高了人体身高体重测量的准确性，也丰富了测量的趣味性。一般来说这种身高体重仪，操作简单，由人启动后测重、测高、显示、打印、语音播放等功能都可以自动完成的，但是这种仪器也存在某些方面的不足：体积大，移动起来不方便；测高功能是通过测高平杆带动码盘转动，码盘孔用光电读取头把测高脉冲传给单片机进行计数，从而得到被测者的身高值，这种仪器需要电机来带动测高平杆移动，为接触型测量，并且测量速度不快；同时还需要人工来操作。智能型身高体重仪，顾名思义，就是整个测量身高和体重的过程都是自动完成的。同时，它又具备了传统身高体重仪所不具备的优点和亮点：小巧玲珑，移动方便；测量速度快、准确，并且为非接触型仪器；而且它功耗低，且无需人工操作，是一种完全的智能自动化仪器。这种仪器在使用时，即进行身高体重测量时，只要被测者站在仪器上所示的位置，本仪器就会自动的进行身高与体重的测量，然后对结果进行直观的数字显示和语音播放。对于本仪器来说，整个工作过程就是：通电开机，在无人测量状态下显示时钟日历，同时检测是否有人要进行测量；如有，系统自动启动测量身高和体重的电路进行测量。具体的测量过程为：启动超声波测高发射电路等待超声波反射回来并计算出时间差由温度传感器测出温度并对声速进行补偿计算出身高值并送入控制系统从称重传感器输出的信号经放大并a/d转换后的体重值送入控制系统由控制系统算出结果最后为显示和播放所测得的身高体重值并打印出结果结束。整个测量身高和体重的过程，不必由人工操作即可全部自动完成。可见，对智能型身高体重仪的研制还是有很积极的意义的。2 方案论证按照本设计功能的要求，系统由9个部分组成：控制器部分、体重测量部分、身高测量部分、时钟日历部分、数据显示部分、语音处理部分、打印控制部分、扩展i/o部分和电路电源部分，智能身高体重仪的总体电路结构图2-1所示：控 制 器部 分体重测量部分身高测量部分数据显示部分语音处理部分时钟日历部分打印控制部分扩 展i/o部 分图2-1 智能身高体重仪的总体电路结构图2.1 控制器部分方案论证本系统控制器部分的可选择的方案有以下两种：方案一、采用大规模可编程逻辑器件来进行控制；采用本方案，会使系统设计起来相当复杂。又因为系统需要进行数码显示、语音播放和打印控制，所以不宜采用大规模可编程逻辑器件(cpld、fpga)来实现。因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现，即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多，用本方案难度较大。方案二、采用单片机来实现控制以单片机为主体的设计，可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进展。所以本系统采用本方案，即基于51系列单片机来实现，又因为系统没有其它高标准的要求，再考虑到本设计中程序部分比较大，所以我们最终选择了at89c52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。at89c52内部带有8kb的程序存储器，基本上已经能够满足我们的需要；有四个i/o口，不能满足本设计中功能的要求，所以我们用它的p0口和8255进行了扩展。2.2 体重测量部分方案论证体重测量部分是由传感器将站在测量台上的被测者的体重转变为近似线性的电压输出，这个微小的电压是毫伏级的，它不能满足a/d转换器的输入需求，所以要对这个微小的输出电压进行信号的前级处理即滤波和放大后，才能满足a/d转换所需的电压幅度，经过a/d转换器的转换将模拟电压值转换为相应的数字量，由单片机at89c52进行运算处理。至于如何运算才能使处理后的结果对应被测者的真实的体重，这主要是由a/d转换器的分辨率和称重传感器的量程所决定的，结果的运算主要由软件来实现。2.2.1 传感器的方案论证传感器在电子衡器中的核心部件，也是本仪器中性能价格比的基本决定因素，所以传感器的选择具有着重要的意义。测重的传感器我们可以用压力传感器，也可以用称重传感器。考虑到称重传感器集材料、工艺技术、加工测试技术及微电子技术于一体，技术含量比较高，属高科技产品，其几十年的发展也使其在原理、材料、电子测量技术等方面都已趋向成熟，又考虑到一般电子衡器大多都是采用称重传感器，所以体重测量部分中我们也选择了称重传感器。又考虑到人的体重一般都在0120kg以内，再根据本设计要求，重量误差应控制在0.15kg，又考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以我们确定传感器量程为150kg。最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的na-th150型称重传感器，量程150kg，允许过载为150%f.s。它可以满足本系统的精度要求、量程要求以及价格等要求。2.2.2 前级处理电路部分方案论证称重传感器存在着桥压的纹波等一些干扰信号，再加上称重传感器输出的电压信号为毫伏级，所以我们要对称重传感器的输出信号进行处理，才能输入a/d转换器中。前级处理电路部分，我们考虑可以采用以下几种方案：方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路；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、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器，而构成的前级处理电路；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(如op07)做成一个差动放大器。其设计电路如图2-2所示：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。图2-2 普通运放所设计的差动放大器电路优点：输入级串入跟随放大器，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，基本上可以符合应用的要求。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等构成前级处理电路。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。以ina126为例,其接口电路如图2-3所示： 图2-3 ina126接口电路放大器增益，通过改变的大小来改变放大器的增益。基于以上分析，我们决定采用由制作方便而且精度很好的专用仪表放大器ina126来完成前级处理电路的设计。 2.2.3 a/d转换电路部分方案论证考虑到对体重的测量，精度要求不是很苛刻，而10位a/d转换器误差应在精度范围之内。10位a/d精度：150kg/1024=0.146kg，这样的精度可以满足我们设计的要求,所以我们选择10位或者精度更高的a/d。我们考虑用以下方案：方案一、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at89c52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型a/d转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要求，10位ad足以满足精度要求，太高的精度就反而浪费了系统资源。所以此方案并不是理想的选择。方案二、双积分型a/d转换器：如：icl7135、icl7109、icl1549等。双积分型a/d转换器精度高，但速度较慢(如：icl7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于），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。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型a/d转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为测量体重的仪器，系统对a/d的转换速度要求并不高，精度上10位的ad足以满足要求。另外双积分型a/d转换器具有较强的抗干扰能力、精确的差分输入以及低廉的价格等优点。同时我们又考虑到串行输入/输出的a/d转换芯片具有接线简单，功耗低，价格低廉等特点，综合的分析其优点和缺点，我们最终选择了icl1549。2.3 身高测量部分方案论证身高测量有我们可以采用以下的方案：方案一、利用标尺和刻度来测量身高；这个方案与我们所设计的智能化仪器原则相违背，所以我们舍弃此方案。方案二、采用电子仪器控制测高平杆接触人体来自动完成身高的测量；此方案中身高的测量是用测高平杆自动带动码盘转动，码盘孔用光电读取头把测高脉冲传给单片机进行计数，从而得到被测者的身高值。这种方案测量速度慢，而且直接导致测量仪器设计复杂，体积庞大，也体现不出我们所说的智能化，所以我们也不采用本方案。方案三、采用超声波传感器或光栅传感器等来完成无接触的身高测量。身高测量中是体现我们智能仪器的一个重要的方面，所以在方案的选择上我们应舍弃一些传统的方案；又由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离远，经常用于距离的测量；再加上利用超声波检测距离，设计比较方便，测量速度快，计算处理出比较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求；所以我们本设计中采用超声波传感器来进行身高的测量。2.4 时钟日历部分方案论证时钟日历部分我们可采用以下两种方案：方案一、采用并行接口的时钟日历芯片；并行芯片我们常用的是ds12c877，它解决了k2k问题，内部还具有114个ram可供系统在掉电后存储系数等数据；它的连接是与ram使用同一个插座，需要8根数据地址线。方案二、采用串行接口的时钟日历芯片。串行芯片我们常用的是ds1302，它计时准确，可对秒、分、时、日、周、年、月以及带闰年补偿的年进行补偿。它有自己的振荡电路，它只需要3根数据线和单片机通讯，接线简单方便，在系统运行时还有对后备电源自动充电功能，在掉电时，可以继续计时。考虑到本设计中对时钟日历部分不是必要的部分，只是作为功能扩展部分，所以我们在设计中选择性比较大，但是考虑到价格和接线等因素，在本设计中我们选用了本方案中的这种高性能、低功耗、带ram的实时时钟芯片ds1302。2.5 数据显示部分方案论证数据显示部分我们可以采用以下的方案：方案一、采用lcd液晶显示；方案二、采用led数码管显示。考虑到本设计中的需要显示的数据分为两部分，初始时为日历和时钟部分，待测量结束后，显示为身高和体重的值，这两个部分都只是数字数据，而且都只需要8位（月、日、时、分各2位；身高4位，体重4位）就可以满足要求，考虑到lcd比led的价格工作电压等因素，再加上在本设计中我们对显示部分没有太高的要求，所以本设计中的显示部分采用方案二即用普通的8位共阴极7段数字型led，分时显示。在共阴极7段数码管的驱动问题上，我们选择了max7219，max7219是集成的串行输入/输出共阴极显示驱动器，这种接口微处理可驱动8位7段数字型led或条形图显示器或64只独立led。max7219内置有bcd译码器、亮度控制寄存器、多路扫描电路、段及数字驱动器和用于存储每一位的88静态ram，对所有的8个led来说，只需要外接一个电阻就能控制段电流的大小。2.6 语音播放部分方案论证 语音播放部分可以采用以下方案：方案一、采用只能播放语音的芯片；这种芯片为放音芯片，它的数据大多放在单片机的内存单元中，使用起来相当不便，而且增加了软件设计时的复杂程度，同时用这种芯片修改起来也相当的复杂，所以我们不用此方案。方案二、采用语音录放芯片。例如isd1400系列单片机语音录放芯片，这种芯片大多由时钟振荡器、内部存储器、微音放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差动功率放大器等高品质语音录放电路所构成。考虑到本部分只用于给用户提供一些操作提示和报告测量结果。根据系统的要求，我们采用美国信息存贮器件公司isd1400系列中的isd1420，它采用在e2prom中直接模拟量存贮技术（das），省去数字存贮器、数据转换及备用电电源等外围电路，具有低功耗、零功率存贮信息、无需编辑开发机、高保真语音录放等特点。2.7 打印控制部分方案论证打印机可供我们选择的方案有以下几种：方案一、采用高档型的打印机；这种打印机功能齐全，打印速度快，但体积较大，价格昂贵，又考虑到在本设计中我们对打印的功能无如此高的要求，所以我们不用此方案。方案二、采用微型的针式打印机。根据本设计的要求和系统的功能要求，又考虑到我们打印的只是一般的数字数据和一般的字符，所以点阵式打印机就可以满足我们的要求；再加上价格体积等方面的因素，我们决定采用本方案，微型打印机型号我们选择的是tpp-40a。2.8 扩展i/o部分方案论证由于本系统外围器件较多，要想满足本设计的要求，at89c52本身的i/o口是不够用的，所以我们要对其进行扩展。扩展的方案有以下几种：方案一、采用intel公司的8255（38位）进行扩展。方案二、采用intel公司的8155(28位6位)进行扩展。方案三、采用intel公司的8243(44位)进行扩展。方案四、采用silos公司的pio(2 8位)进行扩展等。根据系统设计要求及考虑到各因素，我们通过单片机的p0口和8255进行了扩展，扩展后8255的接口：pa口和pc口用来控制打印机，pb口用控制语音处理电路。2.9 电路电源部分本设计中除了超声波发射电路中的555定时器需要+12v电源外，其他的芯片大都是用+5v电源供电，所以我们在系统中需要提供+12v和+5v的电源。在本设计中电源部分可以由两个方案来实现：方案一、直接用直流稳压器输出+12v和+5v直流电压；方案二、通用的220v交流电压通过变压器变压并整流后输出+15v，并接至lm7812和lm7805的输入端vin。考虑到价格等各种因素，在本系统设计中我们采用方案二。3 系统硬件设计3.1 智能型身高体重仪的硬件设计概述本设计要求系统完成：在开机后，无人测量时，仪器显示日期和时间，日期和时间数据由时钟芯片ds1302提供，数据用max7219驱动的8位7段led显示；有人测量时，系统自动启动测量电路。测量过程中，由控制器发出控制命令，启动身高测量电路和体重测量电路；测量结束后，数据送入控制器at89c52，再由控制器at89c52把结果送入显示缓冲区，并刷新显示部分，显示身高和体重值，此时 8位led不再显示日期和时间，而是用来显示测量结果；同时由控制器at89c52通过扩展芯片8255送出数据命令来控制语音芯片isd1420，报告出身高体重值，并报告所计算出被测者体型情况；最后再由控制器at89c52通过8255送出数据/命令来对打印机tpp-40a进行控制，打印出测量结果。本设计的控制核心即控制器部分我们采用的是atmel公司生产的89系列单片机中的at89c52，所有的控制命令和数据处理都由它来完成。测量身高部分通过超声波传感器发射电路和超声波接收电路完成，并用at89c52中的定时器进行计时，计算出所用的时间，然后再根据ds18b20测出的温度，对声速进行补偿，然后由时间乘以声速即可计算出超声波探头与被测者头部的距离；由于超声波传感器的探头离被测者脚底的距离是固定和已知的，所以两个距离的差即为被测者的身高。测量体重部分通过称重传感器输出的毫伏信号，经过前向通道中的放大滤波，输出到a/d转换器icl1549的输入端，经过a/d转换后，数据直接输出到控制器at89c52，由单片机对其进行运算处理计算出结果。显示、语音和打印部分，在设计中比较的具体化，在此我们不于叙述，我们将在本章的后面几节中给予详细说明。3.2 控制单元设计由于本设计的核心即控制单元的设计只有一个at89c52单片机，又因为这种单片机在我们的日常生活和学习工作中比较常用,所以我们在此就不再单单对此单片机进行性能的介绍。at89c52各管脚的分配和应用可参考附录2：智能型身高体重仪的总电路图。3.3 测量身高电路设计本设计中测量身高电路主要是通过超声波测距电路实现的。超声波测距电路主要包括：温度检测电路、超声波发射及控制电路、超声波接收电路、信息处理电路及其辅助电路组成。为降低调试的复杂性，提高系统安装的灵活性，超声波发射与接收采用分离设计，即单独采用发射器和接收器，而不是采用发射接收一体化器件。测高电路系统电源以+12v和+5v为主电源，它通过本设计中的电源电路实现，在此我们不予详述。超声波测距电路原理概述：所谓超声波是指高于2000hz的机械波，具有强度大、方向性好等特性。超声波一般采用压电效应或磁致伸缩效应产生。利用超声波测量距离的原理可简单阐述为：超声波定期发送超声波，遭遇到障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样只要测出发送和发射的时间差t，然后按式：s=c*t/2 （3-1）计算出距离，式中，c为超声波在空气中的传播速度，0时为331m/s，25时为347m/s，其与环境温度t（）的关系如下式表示：c=331.4+0.61*t （3-2）由此可见，声速与温度有密切关系。在应用中，如果温度变化不大，并且无特殊精度要求，可认为声速在空气中是基本不变的。否则，必须进行温度补偿。温度补偿通常有两种方法：补偿方法1：每次先按照公式3-2计算当时声速，然后再按照公式3-1计算距离。特点是：根据当时的温度得到精确声速，从而计算得到的距离值比较精确；但程序中牵涉到浮点计算，对于微处理器系统实现，难度相对较大。但经多次测试，用此方法最大误差一般不超过1cm，其精度可以满足本设计中的要求。补偿方法2：根据当前的环境温度，查取特征温度值声速表中最接近温度对应的声速值，作为当前声速，然后按照公式3-1进行距离计算。其特点是：避免了复杂的声速计算，而且可事先计算，得到温度声速二维表，将之固化到系统程序中，然后直接使用查表法得到声速值，程序实现比较简单，但其所得精度没有方法1高。另外，由于超声波测距电路利用的是接收发射分离设计来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射与反射之间的夹角，其大小为2。当较小时，可直接按式3-1进行计算得到距离；当较大时，则必须进行距离修正，修正公式为式3-3： s=cos*c*t/2 （3-3）在公式3-3中，倾角与超声波装置和接收装置的安装位置有关。在实际应用中，就应该注意到适当安装。在本设计中，我们会努力使尽可能的小。3.3.1 超声波发射电路的设计超声波发射器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（又称“超声波换能器”）的型号我们选用的是csb40t。可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。 前者利用软件产生40khz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，得需要设计一个驱动电流为100ma 以上的驱动电路。后者是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波信号。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本测距仪采用的是硬件发生法。具体电路如图3-1所示： 图3-1 超声波发射电路从图3-1可知，40khz的超声波信号是利用555时基电路振荡产生的。基振荡频率计算公式如下：f1.4(r9+2*r8)*c10) 将r8设计可调电阻的目的是为调节信号频率，使之与超声波探头的40khz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12v电源。start为超声波发射控制信号，由微处理器进行控制。3.3.2 超声波接收电路的设计超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，主要是频率要一致，这里我们选用csb40r，否则因无法产生共振而影响接收效果、甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号不能直接被微处理器接收，因此必须进行波形变换。按照概述部分所讨论的原理，微处理器需要的只是第一个回波的时刻，因此可采用比较电路将正弦波转换为脉冲方波，由软件查询得到第一个回波前沿时刻。接收电路的设计可采用专用接收电路，例如lm1808，也可以采用通用电路来实现。超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与距离成正比，即距离越近，信号越强；距离越远，信号越弱，通常在1mv1v之间。当然，不同的接收探头的输出信号强度存在差异。由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：1）放大增益要大，以适应小信号时的需要；2）放大增益要能变化，以适应信号变化范围大的需要。另外，由于输入信号为正弦波，因此必须将放大电路设计成交流放大电路。为减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用了一片lm324通用放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。lm324既可以双电源供电，也可以单电源工作，因此能满足使用要求。也可以选用其他放大运算器，但必须注意其能否单电源工作，因为不是所有运算放大器都能单电源使用的。为满足交流信号的需要，每一级放大器均采用阻容电路进行电平偏移，即图3-2所示：图3-2 超声波接收电路图中c9、c10、c11和c12，容量均为10f，实现单电源条件下交流信号的放大。对于交流信号而言，电容为短路，因此前三级放大电路的放大增益均为10。在实验中发现，距离较近时，两级放大时的增益已能输出足够强度的信号了，第三级有可能出现信号饱和，但距离较远时，两级放大不能满足，必须采用三级放大。为提高自适应能力，可在上图的基础上，增设增益选择电路。由软件自动完成增益切换，切换的原理是先进行大增益搜索回波，一旦发现回波，但后续无回波的情况，说明增益过大，必须减少一级增益。当然，软件设计的难度会大大增加，而且这种软件自适应增益法只能适用于静态测量，在动态测量条件下，会导致距离测量误差增大。其原因是第一回波不可能作为距离依据，采用的可能是第二回波或第三回波的前沿信号，存在时差问题。在本设计中由于所测的距离较近，所以为了避免信号的饱和，我们只用了两级放大。合理调节电位器r24，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。实践证明，比较参考电压的选取非常关键，它与测量灵敏度、系统鲁棒性都有关联。选小时可提高测量灵敏度，便鲁棒性下降，容易出现虚假回波被捕捉的情况，选大时则情况相反。显然，按照上图的设计，当没有回波信号或回波信号很弱（即超出测量范围）时，比较器输出high为高电平，反之。为低电平。3.3.3 基于ds18b20的温度检测电路的设计温度测量电路是基于ds18b20的线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路如图3-3所示：(1)ds18b20的功能介绍ds18b20温度传感器是美国dsllas半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比。它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。ds18b20的引脚判断方法为：字面对人，从左到右分别是1（gnd）、2（输入/输出）、3（vdd）。图3-3 温度测量电路 在图中，电阻r3为上拉电阻，阻值可选为5k左右。表3-1 ds18b20分辨率的定义规定r1r0分辨率/位温度最大值转换时间/ms00993.750110187.510113751112750 ds18b20分辨率的定义规定如表3-1所示。由表3-1可见，ds18b20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，温度数据转换所需要的时间就越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。(2)ds18b20的工作原理ds18b20的测温原理如图3-4所示：图中低温度系数晶振的振荡率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计算器1；图中还隐含着计数门，当计数门打开时，ds18b20就对温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。斜率累加器预置低温度系数振荡器减法计数器1减到0计数比较器预置温度寄存器高温度系数振荡器减法计数器2减到0图3-4 ds18b20测温原理图减法计数器1对低温度系数晶振来产生的脉冲信号进行送行计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测得温度值。另外，由于ds18b20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对ds18b20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化ds18b20（发复位脉冲）发rom功能命令发存储器操作命令处理数据。(3) 温度数据的计算处理方法从ds18b20读取出的二进制必须先转换为十进制，才能便于对温度进行补偿。因为从ds18b20精度为912位可选的，为了提高精度12位。在12位精度时，温度寄存器里的值是以0.0625为步进的，即温度值为温度寄存器里的二进制值乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。通过观察可以发现一个十进制和二进制值之间有很明显的关系，就是把二进制的高字节的低半字节和低字节的高半字节组成一个字节，这个字节的二进制值化为十进制值后，就是温度的百、十、个位值，而剩下的低字节的低半字节化成十进制值后，就是温度的小数部分。小数部分因数是半个字节，所以二进制值范围是0f，转换成十进制小数值就是0.0625的倍数（015倍）。实际应用不必要求有这么高的精度，本系统中，精确到0.1，就能达到我们使用所需的精度。3.4 测量体重电路设计测量体重电路主要由称重传感器、前级处理电路和a/d转换电路组成。被测量者站在测量台上时，通过称重传感器作用输出毫伏级电压信号，因为a/d转换器的输入一般要求为伏级电压信号，所以由称重传感器直接输出的信号需要经过处理后，才能输入进a/d转换器。前级处理电路主要是对称重传感器输出的信号进行滤波和放大，使之能够符合a/d转换器的输入要求。a/d转换器主要是对输入的模拟信号进行转换，使输出为数字信号，以使单片机可以直接的对测量的信号进行处理。其测量电路如图3-5所示：图3-5 测量体重的设计电路3.4.1 称重传感器（1）称重传感器的技术指标ns-th150称重传感器由组合式s型梁结构及金属箔式应变计构成，具有过载保护装置。测量精度高、温度特性好、工作稳定等优点。广泛用于各种结构的动 、静态测量及各种电子称的一次仪表。其形状如图3-6示:技术参数-单位-技术指标 : a) 额定载荷(kg):150 b) 额定输出(mv/v): 1.5 c) 非线性(%f.s): 0.03 d) 滞后(%f.s): 0.03 e) 重复性(%f.s): 0.03 图3-6 称重传感器的形状f) 零点输出(%f.s): 1 g) 零点温度系数(%f.s/): 0.003 h) 绝缘电阻: 2000 mi) 供桥电压: 10vdc j) 允许过载: 150 %f.sk) 可设计成05v或420ma信号输出(2) 称重传感器的工作原理称重传感器原理如图3-7所示，它主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠斯通电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，输出信号电压可由公式（3-4）给出：图3-7 称重传感器工作原理图 （3-4）3.4.2 前级处理电路设计前级处理电路主要是从称重传感器输出的信号先通过外围电阻电容的滤波处理，然后输入到ina126中，然后由其把体重信号进行放大。ina126构成的放大器及滤波电路如图3-8所示：图3-8 ina126构成的放大器及滤波电路通过调节rg的阻值来改变放大倍数。微弱信号vi1和vi2被分别放大后从ina126的第6脚输出。a/d转换器icl1549的输入电压变化范围是0v+5v，传感器的输出电压信号在020mv左右，因此放大器的放大倍数在200300左右，可将rg接成的滑动变阻器。本设计为使称重传感器对应输出为05v，要求就把rg调为325左右。ina126是一种微功耗精密仪表放大器。通过两个运放的组合设计，使器件具有专长极低的静态电流和较宽的电源范围。经修正后的电路，具有很低的输入失调、输入漂移和极好的共模抑制比。其增益可通过一个外接电阻在510000范围内设置。3.4.3 a/d转换器icl1549串行输入/输出的a/d转换芯片由于具有接线简单，传输距离远，功耗低，价格低廉等特点，在数据采集系统中得到广泛的应用。(1)串行a/d转换芯片icl1549的 介绍icl1549芯片主要有以下特点： 图3-9 icl1549的引脚图1)10位分辨率； 2)单一5v电源；3)低功耗，2ma运行电流； 4)二线串行接口，先转换后输出；5)片内采样保持电路，转换时间25s；6)8脚双列直插封装。如图3-9所示是icl1549的芯片引脚图，其中ain为模拟信号输入端，ref+、ref-为参考电压输入端，di为数据输出端，cs为片选端，clock为时钟脉冲输入端，gnd为接地，vcc接正电源，电压范围为05v0.25v。（2）icl1549的工作时序图3-10为icl1549的工作时序，当cs片先端由高电平变为低电平时di开始输出转换结果的最高位，并在外部时钟clock每来一个上长沿，di端输出1 位数据，数据共10位。当最后一位数据读出后，在外部时钟clock的下降沿又开始下一次转换，并且片内采样保持器由采样模式转变为保持模式，保持住模拟输入信号。外部时钟频率可达2mhz。由以上分析可以看出，icl1549芯片的确是一种廉价、高速、接口简单且具有中等精度的a/d转换器。图3-10 icl1549的工作时序3.5 时钟日历电路设计在本设计中的时钟日历电路我们是通过一种高性能、低功耗、带ram的实时钟芯片ds1302和两个按键来实现本部分功能。两个按键接在单片机at89c52的p2口上，一个用来选择调时部分，一个用来调时。其电路设计如3-11图示：ds1302芯片中包括实时时钟/日历和31字节的静态ram，可实时的对秒、分、时、日、周、月以及闰年进行计数处理。内部有31个字节的高速ram，可通过外部可充电电池加电长期保存数据，并能慢速为电池充电。通过简单的3线串行方式接口，能在2.5v5.5v电源下可靠工作，在2.5v进耗电小于300na。在主电源关闭的情况下，能保持时钟的连续运行。采用ds1302芯片，可以做到计时准确；更重要的是，并可编程选择多种充电电流来对后备电源进行慢速充电，可以保证后备电源基本不耗电。图3-11 时钟日历电路设计图3.5.1 ds1302的命令字节每一数据传送前必先初始化。最高有效位msb(位7)必须为逻辑1。如果它是0，禁止写入ds1302。位6为逻辑0（clk），指定时钟/日历数据；位6为逻辑1，指定ram数据。位1位5（a0a4地址）指定进行输入或输出的特定寄存器。最低有效位lsb（位0）为逻辑0，指定进行写操作（输入）；为逻辑1，指定进行读操作（输出）。命令字节总是从最低有效位lsb（位0）开始输入。其命令格式如下：msb65 4321lsb1ram/clka4a3a2a1a0rd/wr3.5.2 复位和时钟控制通过把rst输入驱动至高电平来启动所有的数据传送。rst输入有两种功能。首先，rst接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供了中止单字节或多字节数据传送的手段。数据输入时，在时钟的上升沿数据必须有效，而数据位在时钟的下降沿输出。如果rst输入为低电平，那么所有的数据传送中止且i/o引脚变为高电平阻抗状态。数据传送时序如图3-12所示：上电时，在vcc2.5v之前，rst必须为逻辑0。此外，当把rst驱动至逻辑1的状态时，sclk必须为逻辑0。3.5.3 数据的输入与输出跟随在输入写命令字节的8个sclk周期之后，在下8个sclk周期的下降沿输出数据字节。如果有额外的sclk周期，它们将被忽略。数据从位0开始输入。跟随在输入读命令字节的8个sclk周期之后，在下8个sclk周期的下降沿输出数据字节。注意，被传送的第一个数据发生在命令字节写命令，它们将重新发送数据字节。这一操作使之具有连续的多字节方式的读能力。另外，在sclk的第一上升沿，i/o引脚为三态。数据从位0开始输出。3.5.4 多字节方式通过对地址31（十进制）寻址，可以把时钟/日历或ram寄存器规定为多字节方式。如前所述，位6规定时钟或ram，而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址931或ram寄存器中的地址31不能存储数据。在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始。当以多字节方式写时钟寄存器时，必须按数据传送的次序写最先8个寄存器。但是，在当以多字节，所写的每一个字节都将送至ram。数据传送的时序如图3-12所示：3.6 数据显示电路设计本设计中的显示电路是通过led显示驱动器max7219驱动8位共阴极7段led来实现，其具体电路如图3-13所示：max7219内有150a的低功耗掉电模式和多种数控电路，提供有显示位数（1位8位）可选择的扫描界线寄存器，允许用户为每一位选择bcd译码或不译码控制电路。图3-13 显示设计电路max7219可广泛应用于条形图显示、7段码显示、工业控制面板、仪表控制面板和led模型显示等领域。max7219的串行数据格式如表3-2所示：表3-2 max7219的串行数据格式（16位）d15，d14，d13，d12d11，d10，d9，d8d7，d6，d5，d4，d3，d2，d1，d0任意值（0或1）地址数据3.7 i/o扩展电路、打印电路和语音处理电路设计本设计中由于外围器件比较多，所以就单片机at89c52本身的i/o口不能满足系统设计的需要，所以我们通过at89c52的p0口和8255进行了i/o口的扩展，扩展的i/o用来接打印机和语音处理电路。具体设计如图3-14所示：如图3-14中所示，8255的d0d7与at89c52的p0口相连，8255的读写控制信号线rd、wr和复位信号线reset与at89c52的各对应引脚相接，8255的端口选择线a1、a0和片选信号线cs接到at89c52的p2口，8255的reset引脚也可以直接接地，但前者应保证8255复位完毕后才开始初始化。a1、a0和cs的接法决定了8255的各端口的地址。微型打印机的接法如图3-14所示，用8255的pa口和pc口的pc0来控制和传输数据，并把它的busy信号端接到at89c52的int1，来共同控制打印机的输出。语音处理电路的控制和数据调用都用8255的pb口来控制，pb7用来控制录音，pb6用来控制放音，由于在本设计中录音部分是单独进行的，在应用中不再提供录音功能，但是可以根据用户需要在设计阶段录入所要求的录音。图3-14 系统扩展i/o、打印和语音电路3.7.1 微型打印机tpp40a是一种单片机控制的微型打印机。tpp40a每行打印40个字符，tpp40a微型打印机与单片机间是通过一条20芯扁平电缆及接插件相连。打印机有一个20线扁平插座，信号引脚如图3-15所示：2 4 6 8 10 12 14 16 18 20gndgndgnd gndgndgndgndgnd/ack/err/stbdb0db1db2db3db4db5db6db7busy 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19图3-15 打印机的信号引脚图db0db7：数据线，单向传输，由单片南输入给打印机；/stb（storbe）：数据选通信号，在该信号的上升沿时，数据线上的8位并行数据被打印机读入机内锁存；busy：打印机“忙”状态信号，当该信号有效（高电平时）时，表示打印机正忙于处理数据，此时，单片机不得使/stb信号有效，向打印机送入新的数据；/ack：打印机的应答信号，低电平有效，表明打印机送入打印机已取走数据线上的数据；/err：“出错”信号。当送入打印机的命令格式出错时，打印机立即打印一行出错信息，提示出错。在打印出错信息之前，该信号线出现一个负脉冲，脉冲宽度为30s。接口信号时序如图3-16所示： 图3-16 打印机的工作时序选通信号/stb宽度需大于0.5s。/ack应答信号作为一对应答联络信号，也可使用/stb与busy作为一对应答联络信号。tpp40a的字符代码及打印命令3.7.2 语音芯片isd1420isd1420是一种录音数据永久保存、高保真、耗电小、适用于同单片机接口的新一代语音器件。isd1400系列语音芯片是美国isd(information storage device)公司的新型产品，应用它可方便地开发出电压、温度、速度等语音测量模块以及智能语音告警、提示系统。isd1420的内部结构中包括时钟振荡器、128k可编程电擦除只读存储器、低噪前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差分功率放大器等电路。isd1400系列语音芯片采用直接存储模拟信号，自动待机省电，可编程电擦除只读存储和总线技术。isd1400是一种具有高保真、录音数据永久保存、省电、适用于同单片机接口特点的新一代语音芯片。分段录音时，isd1420的a0a7用作地址输入线，a6、a7不可同时为高电平， 所以地址范围为0000 00001001 1111，即为十进制码0159共160个数值。这表明isd1420的eeprom模拟存储器最多可被划分为160个存储单元，又isd1420是isd1400系列中录音时长为20s的语音芯片，也就是说isd1420最多可存储160个语音段，语音段的最小时间长度为0125s。不同分段的选择是通过对a0a7端的不同的高低电平来实现。放音时，我们只用把所要放音内容对应的单元地址，通过8255pb0pb5送到isd1420的a7a2，并由pb6、pb7设置/rec、/playl为1和0（即设置为放音状态），a7a2是所对应要放音的内容对应的单元地址。3.8 电源电路设计电源设计在方案论证里已有描述，其具体的设计如图3-17所示：如图3-18所示，+12v和+5v（即vcc）的电源是这样实现的：220v的交流电压通过tb1变压器经过变压输出15v电压，然后通过4个in4007晶闸管整流，再并联两个电容，最后接到lm7812和lm7805的vin端，由lm7812的vout和lm7805的vout输出+12v和+5v电压，即为我们系统所需电压。图3-17 系统电源设计图有些稳压器不加电容也能工作，但当输出端负载为容性的某些值时，稳压器可能出现自激现象。为了避免这种现象产生，可以在输出端与地之间接一个1f左右的钽电容或25f的铝电解电容，为扩大输出电流，三端集成稳压器也允许并联使用。4 系统软件设计智能型身高体重仪的软件设计主要由主程序、初始化程序、显示子程序、放音子程序、调时子程序、测量身高程序、测量体重程序、打印子程序和延时程序组成。其中可以分为以下几个功能模块：（