【正文】 數(shù)字身高體重測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)方案 選題背景及目的隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平不斷提升，與身體狀況相關(guān)的方面越來(lái)越得到人們的關(guān)注。而身高與體重的變化則是身體狀況最為直接的表現(xiàn)，因此身高體重便成為必要的測(cè)量?jī)?nèi)容。身高體重測(cè)量?jī)x現(xiàn)以不止用于醫(yī)療、體檢部門，而是可以廣泛應(yīng)用于大眾的儀器，因此身高體重測(cè)量?jī)x的研究和設(shè)計(jì)有非常廣闊的前景。本設(shè)計(jì)的身高體重一體化測(cè)量?jī)x可以同時(shí)測(cè)量身高和體重?cái)?shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)的在屏幕上顯示，大大提高了使用效率。本設(shè)計(jì)的儀器系統(tǒng)功耗低，運(yùn)行情況良好而可靠，能利用最少的資源進(jìn)行高精度的測(cè)量，信息性能可靠，操作便利，可以方便的獲取結(jié)果，在實(shí)際的使用中獲得了理想的效果，有重要的研究意義。身高的測(cè)量使用非接觸式的超聲波來(lái)完成。超聲波指向性強(qiáng),能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因此超聲波經(jīng)常用于障礙物的距離測(cè)量。由于超聲波可做到無(wú)接觸檢測(cè)距離,這一特性用在人體或其它物體高度的測(cè)量上會(huì)變得非常方便。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來(lái)測(cè)量高度。體重的測(cè)量采用應(yīng)變式壓力傳感器做成電子稱來(lái)測(cè)量重量。和傳統(tǒng)秤相比較，電子秤利用新型傳感器、高精度AD轉(zhuǎn)換器件、單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，具有精度高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，因此電子稱逐漸取代傳統(tǒng)型的機(jī)械杠桿測(cè)量秤，成為測(cè)量領(lǐng)域的主流產(chǎn)品[1]。本課題設(shè)計(jì)的電子秤具有基本稱重、顯示功能。該電子秤的測(cè)量范圍為0200Kg，測(cè)量精度達(dá)到1kg，有高精度，低成本，易攜帶的特點(diǎn)。 總體方案設(shè)計(jì)與論證 設(shè)計(jì)任務(wù)（1）題目：數(shù)字身高體重測(cè)量?jī)x（2）測(cè)量要求：超聲波測(cè)高精度177。1cm，測(cè)量范圍2cm4m稱重精度1kg，測(cè)量范圍1kg200kg要求測(cè)量準(zhǔn)確，能同時(shí)在顯示屏上顯示出來(lái)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容外圍設(shè)備：（1）51單片機(jī)最小系統(tǒng)開發(fā)板 （2）STC89C52主芯片（3）超聲波測(cè)距模塊 （4）壓力傳感器稱重模塊 （5）AD轉(zhuǎn)換模塊 （6）1602液晶顯示模塊 方案論證與選擇 方案一：采用FPGA控制，超聲波測(cè)距，電容式傳感器稱重，數(shù)碼管顯示數(shù)值。方案二：采用51單片機(jī)控制，超聲波測(cè)距，應(yīng)變式傳感器稱重，1602液晶顯示數(shù)值。以上兩個(gè)方案主要是控制芯片，稱重傳感器和顯示設(shè)備的選擇問(wèn)題?，F(xiàn)就各個(gè)選擇做以下論證。FPGA功能強(qiáng)大，端口多，適于多從控制，但數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜，且價(jià)格昂貴；51單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于控制，價(jià)格便宜，且能完成要求的所有工作，因此選擇51單片機(jī)控制。電容式傳感器耗電量少,造價(jià)低,但準(zhǔn)確度只有1/200~1/500；電阻應(yīng)變式傳感器的稱量范圍為300g至數(shù)千kg,計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)1/1000~1/10000,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,可靠性較好，因此選擇電阻應(yīng)變式傳感器，且采用全橋式等臂電橋電路。采用數(shù)碼管現(xiàn)實(shí)的話，需要兩組數(shù)碼管分別顯示身高和體重?cái)?shù)值，消耗功率大，且占用較多的I/O口資源；采用1602液晶顯示，可以分兩行同時(shí)清晰直觀地顯示身高體重結(jié)果及必要的信息，因此選擇1602液晶顯示作為顯示屏。綜上所述，選擇方案二更為合理、經(jīng)濟(jì)。2 硬件電路設(shè)計(jì) 主控電路 我們主控制電路采用STC89C52芯片，STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇[2]。主要特性如下[3]：：～（5V單片機(jī)）/～（3V單片機(jī)），6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過(guò)串口（RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片（32個(gè)），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。即定時(shí)器T0、TT2，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒：40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)）（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART14. PDIP封裝。 STC89C52 管腳圖 超聲波測(cè)高模塊電路 超聲波傳感器及其測(cè)高原理 超聲波是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,然后求出距離S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。利用超聲波測(cè)高前先用超聲波測(cè)出發(fā)射頭與地面的高度H1并存入單片機(jī)，然后將被測(cè)物體移入測(cè)量區(qū)內(nèi)測(cè)得上表面距離H2，用單片機(jī)算出兩者之差就是被測(cè)物體的實(shí)際高度。 超聲波測(cè)高原理圖 我們使用的是模塊化的超聲波HCSR04測(cè)距，HCSR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路[4]。其基本工作原理如下：(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)。(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。 超聲波傳感器電氣參數(shù)及其時(shí)序圖： 電氣參數(shù)： 超聲波時(shí)序圖 以上時(shí)序圖表明我們只需要提供一個(gè)10uS以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHZ周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)得距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。，因此用ECHO高電平持續(xù)時(shí)間t/58就是超聲波測(cè)得的距離S（cm）。： HCSR04模塊 壓力傳感器稱重模塊 壓力傳感器稱重傳感器采用200kg的應(yīng)變式壓力稱重傳感器YZC1B，其內(nèi)部為4個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成的電橋形式。其。當(dāng)垂直正壓力P作用于梁上時(shí)，梁產(chǎn)生形變， 傳感器受力工作原理電阻應(yīng)變片RR2受壓彎拉伸，阻值增加；RR4受壓縮，阻值減小。電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡電壓，不平衡電壓與作用在傳感器上的載菏P成正比，從而將非電量轉(zhuǎn)化成電量輸出[5]。RRR3和R4組成惠更斯電橋，將2對(duì)電阻應(yīng)變片的阻值變化轉(zhuǎn)變成輸出電壓。 測(cè)量電橋原理傳感器實(shí)物圖如下圖所示： 稱重傳感器 稱重AD轉(zhuǎn)換芯片HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)、降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或通道B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為177。20mV或177。40mV。通道B則為固定的64增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)[6]。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無(wú)需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接部件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開機(jī)的初始化過(guò)程。該方案使用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器(XI=0)，10Hz的輸出數(shù)據(jù)速率(RATE=0)。電源（～）直接取用與MCU 芯片相同的供電電源。通道A與傳感器相連，通道B通過(guò)片外分壓電阻與電池相連，用于檢測(cè)電池電壓。 HX711外部管腳圖。 HX711電氣參數(shù)表參數(shù)條件及說(shuō)明最小值典型值最大值單位滿額度差分輸入范圍V（inp）V(inn)177。(AVDD/GAIN)V輸入共模電壓范圍AGND+ V輸出數(shù)據(jù)速率使用片內(nèi)振蕩器，RATE=010Hz使用片內(nèi)振蕩器，RATE=DVDD80外部時(shí)鐘或晶振，RATE=0fclk/1,105,920外部時(shí)鐘或晶振，RATE=DVDDfclk/138，240輸出數(shù)據(jù)編碼二進(jìn)制補(bǔ)碼800000 7FFFFF(HEX)輸出穩(wěn)定時(shí)間（1）RATE=0400mvRATE=DVDD50輸入零點(diǎn)漂移增益=128增益=64輸入噪聲增益=128，RATE=050nV(rms)增益=128，RATE= DVDD90溫度系數(shù)輸入零點(diǎn)漂移（增益=128）177。7nV/℃增益漂移（增益=128）177。3ppm/℃輸入共模信號(hào)抑制比增益=128，RATE=0100dB電源干擾抑制比增益=128，RATE=0100dB輸出參考電壓（VBG）V外部時(shí)鐘或晶振頻率1 30MHz電源電壓DVDD VAVDD,VSUP 模擬電源電路（含穩(wěn)壓電路）正常工作1600uA斷電數(shù)字電源電路正常工作100uA斷電 稱重部分AD轉(zhuǎn)換基本原理 ，HX711可以在產(chǎn)生VAVDD和AGND電壓，即711模塊上的E+和E電壓。該電壓通過(guò)VAVDD=VBG(R1+R2)/R2計(jì)算。=20K,R2=，因此得出VAVDD=。*2mV/V=，經(jīng)過(guò)128倍放大后，*128=。經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后輸出的24bit數(shù)字值最大為：*2^24/≈2147483。假設(shè)重力為AKg，（A200Kg）,，發(fā)送給AD模塊的電壓為AKg*，經(jīng)過(guò)128倍增益后為128*= mV， mV*2^24/ ≈ ，所以y=≈ ，得出A=y/。所以程序中AD轉(zhuǎn)換公式為：Weight=(unsigned int）(float)Weight/215 HX711內(nèi)部方框圖現(xiàn)附錄HX711接口電路圖如下[7]： HX711接口電路圖 稱重傳感器重量標(biāo)定為了檢驗(yàn)稱重傳感器測(cè)量值與實(shí)際重量之間的誤差，我對(duì)稱重傳感器進(jìn)行了重量的標(biāo)定。用不同重量的砝碼置于稱重傳感器上，觀察測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄。 重量標(biāo)定曲線圖 對(duì)比表實(shí)際重量（kg）02310203040506070顯示值（kg）01310203040506070實(shí)際重量（kg）8090100110120130140160180200顯示值（kg）809099109120129138158178197由標(biāo)定的曲線圖可以看出，YZC1B稱重傳感器在3kg以內(nèi)稱重值不穩(wěn)定，在3kg150kg內(nèi)測(cè)量出的稱重值與實(shí)際值基本上相同。因?yàn)槿梭w正常體重都是位于這一段內(nèi)，所以稱重傳感器能基本滿足適用要求。 LCD1602液晶顯示模塊 LCD1602介紹1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè)5*7或者5*11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶[10]。 1602顯示電路 LCD1602主要技術(shù)參數(shù)及其時(shí)序圖顯示容量:162個(gè)字符芯片工作電壓:—工作電流:()模塊最佳工作電壓:字符尺寸:(WH)mm： 1602引腳接口說(shuō)明表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線，在單片機(jī)中連接P0口。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。[8]： 讀操作時(shí)序 寫操作時(shí)序3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)初始化程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的軟件編譯環(huán)境為Keil uVision4，這種編譯環(huán)境支持C語(yǔ)言編程。編譯的模塊包括單片機(jī)初始化模塊，超