数字身高体重测量仪设计方案

1 数字身高体重测量仪设计方案 题背景及目的 随着社会的发展，人们生活水平不断提升，与身体状况相关的方面越来越得到人们的关注。而身高与体重的变化则是身体状况最为直接的表现，因此身高体重便成为必要的测量内容。身高体重测量仪现以不止用于医疗、体检部门，而是可以广泛应用于大众的仪器，因此身高体重测量仪的研究和设计有非常广阔的前景。本设计的身高体重一体化测量仪可以同时测量身高和体重数据，并实时的在屏幕上显示，大大提高了使用效率。本设计的仪器系统 功耗低，运行情况良好而可靠，能利用最少的资源进行高精度的测量，信息性能可靠，操作便利，可以方便的获取结果，在实际的使用中获得了理想的效果，有重要的研究意义。 身高的测量使用非接触式的超声波来完成。 超声波指向性强 ,能量消耗缓慢 ,在介质中传播的距离较远 ,因此超声波经常用于障碍物的距离测量。由于超声波可做到无接触检测距离 ,这一特性用在人体或其它物体高度的测量上会变得非常方便。 而且超声波 传感器 具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量 高度 。 体重的测量采用应变式压力传感器做成电子称来测 量重量。 和传统秤相比较，电子秤 利用新型传感器、高精度 换器件、单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点，因此电子称 逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤，成为测量领域的主流产品 1。 本课题 设计的电子 2 秤具有基本称重 、 显示功能。 该 电子秤的测量范围为 0量精度达到 1高精度，低成本，易携带的特 点 。 体方案设计与论证 计任务 （ 1）题目：数字身高体重测量仪 （ 2）测量要求： 超声波测高精度 1量范围 2重精度 1量范围 1求测量准 确，能同时在显示屏上显示出来。 计内容 外围设备：（ 1） 51 单片机最小系统开发板 （ 2） （ 3）超声波测距模块 （ 4）压力传感器称重模块 （ 5） （ 6） 1602液晶显示模块 案论证与选择 方案一：采用 制，超声波测距，电容式传感器称重，数码管显示数值。 方案二：采用 51单片机控制，超声波测距，应变式传感器称重，1602液晶显示数值。 以上两个方案主要是控制芯片，称重传感器和显示设备的 选择问 3 题。现就各个选择做以下论证。 能强大，端口多，适于多从控制，但数据处理较复杂，且价格昂贵； 51 单片机设计简单，易于控制，价格便宜，且能完成要求的所有工作，因此选择 51单片机控制。 电容式传感器耗电量少 ,造价低 ,但准确度只有 1/2001/500；电阻应变式传感器的称量范围为 300g 至数千 量准确度达1/10001/10000,结构较简单 ,可靠性较好，因此选择电阻应变式传感器，且采用全桥式等臂电桥电路。 采用数码管现实的话，需要两组数码管分别显示身高和体重数值，消耗功率大，且占用较多的 I/O 口资源；采用 1602 液晶显示，可以分两行同时清晰直观地显示身高体重结果及必要的信息，因此选择 1602液晶显示作为显示屏。 综上所述，选择方案二更为合理、经济。 2 硬件电路设计 控电路 我们主控制电路采用 低功耗 /超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051单片机， 12时钟 /机器周期和 6时钟 /机器周期可以任意选择 2。 主要特性如下 3： 5 3 051单片机， 6时钟 /机器周期和 12时钟 /机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051. 4 0 40当于普通 8051的 0 80际工作频率可达 4812字节 7. 系统可编程） /应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（ 接下载用户程序，数秒即可完成一片 （ 32个），复位后为： 2/4是准双向口 /弱上拉， 是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/加上拉电阻。 个 16位定时器 /计数器。即定时器 路，下降沿中断或低电平触发电路， 式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 +85（工业级） /0 75（商业级） 还可用定时器软件实现多个 14. 其管脚定义如图 5 图 脚图 声波测高模块电路 声波传感器及其测高原理 超声波是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t,然后求出距离 S=，式中的用超声波测高前先用超声波测出发射头与地面的高度 存入单片机，然后将被测物体移入测量区内测得上表面距离 单片机算出两者之差就是被测物体的实际高度。超声波测高系统原理如图 图 声波测高原理图 我们使用的是模块化的超声波 距精度可达高到 3块包括超声波发射器、接收器与控制电路 4。 其 基本工作 6 原理如下： (1)采用 至少 10 (2)模块自动发送 8个 40动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过 出一个高电平，高电平持续的时间就是超声 波从发射到返回的时间。测试距离 =(高电平时间 *声速(340M/S)/2; 声波传感器电气参数及其时序图 超声波测距模块电气参数如下表 表 气参数 超声波时序图如图 7 图 声波时序图 以上时序图表明我们只需要提供一个 10上的脉冲触发信号，该模块内部将发出 8个 40旦检测到有回波则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测得距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。 在本设计中单片机的 提供一个 16高电平给 ，通过模块自动测距 接受 此用 t/58就是超声波测得的距离 S（ 图 8 力传感器称重模块 力传感器 称重传感器采用 200式压力称重传感器 内部 为 4个应变片构成的电桥形式。其 测量原理如图 垂直正 压力 产生形变， 图 感器受力工作原理 电阻应变片 压弯拉伸，阻值增加； 阻值减小。电桥失去平衡，产生不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏 而将非电量转化成电量输出 5。 4组成惠更斯电桥，将 2对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图 图 量电桥原理 传感器实物图如 下图所示： 9 图 重传感器 重 换芯片 一款专为高精度称重传感器而设计的 24 位 A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点、降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端 有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道 ，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道 A 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 2040道 4增益，用于系统参数检测 6。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件。上电自动复位功能简化了开机的初始化 10 过程。图 方案使用内部时钟振荡器 ()， 10输出数据速率 ()。电源（ 接取用与 片相同的供电电源。通道 道 于检测电池电压。 图 表 参数 条件及说明 最小值典型值最大值 单位 满额度差分输入范围 V（ -V( V 输入共模电压范围 输出数据速率 使用片内振荡器， 10 用片内振荡器， 0 外部时钟或晶振， ,105,920 外部时钟或晶振， 38， 240 输出数据编码 二进制补码 800000 7 输出稳定时间（ 1） 400 0 输入零点漂移 增益 =128 增益 =64 输入噪声 增益 =128， 50 nV(增益 =128， 0 温度系数 输入零点漂移（增益 =128） 7 增益漂移（增益 =128） 3 输入共模信号抑制比 增益 =128， 100 11 电源干扰抑制比 增益 =128， 100 出参考电压（ 外部时钟或晶振频率 1 0 源电压 拟电源电路 （含稳压电路） 正常工作 1600 电 字电源电路 正常工作 100 电 称重部分 换基本原理 如图 711模块上的 E+和 电压通过 1+模块儿基准电压 0K,此得出在 供电电压下 200= 经 过 128 倍 放 大 后 ， 最 大 电 压 28=经过 换后输出的 24字值最大为：24/2147483。 假设重力为 显示距离值 S 结 束 ？ 19 体 重程序设计 压力传感器称体重模块核心部分是 数据输出管脚 明 时串口时钟输入信号 4个时钟脉冲。第一个时钟脉冲的上升沿将读出输入 24 位数据的最高位，直到第 24 个时钟脉冲完成， 24 位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。测体重部分程序流程图如图 图 体重部分程序流程图 晶显示模块程序 设计 液晶显示部分是整个实验可以读取结果的必要部分，因此也是整个程序的中心部分。我们使用的 开 始 获取 显示称重数值 结 束 20 图 晶显示模块程序流程图 开 始 判忙函数（忙则等待） 写入命令函数 写入数据函数 清屏函数 写入字符串函数 写入字符函数 初始化函数 结 束 21 结 论 本次设计基本上达到了设计要求，使用非接触式的超声波测量距离，通过压力传感器称重输出电压经过 换可以实现人体重量的测量，使用 1602液晶可以完整显示身高体重测量值。在后期完善中，把超声波传感器定位于 度，就可以测量出人体高度；称重传感器经过重量标定，就可以比较准确的称出重量。不过本设计依然存在不足之处，比如说超声波测距太灵敏，人体只要稍微动一下就会引起测量高度的微小变化，无法得出稳定数值；称重部分称重精度要求达到 际上为了称出来的数据精准，精度只有 1果需要精度和准确度都达到要求，选择的硬件已经可以满足要求，只需要在程序部分再设计一下。希望在今后的学习中进一步完善，使系统功能更加可靠。 22 参考文献 1 何力民 . 单片机高级教程 M. 北京：北京航空大学出版社，2008:182 张文灼， M. 北京：机械工业出版社，2006:763 李林功，吴飞青，王兵等单片机原理与应用 M北京：机械工业出版社， 2007:12. 4 赵广涛，基于超声波传感器的测距系统设计 D. 微计算机信息，2006. 5 陈杰，黄鸿 . 传感器检测与技术 M. 北京：高等教育出版社，2002:108. 6 浦方华，田作华 . 一种基于 高精度电子称重仪 A. 上海交通大学，电子信息与电气工程学院 . 上海， 2002:40. 7 赵承利 . 础、案例篇） M. 北京：中国铁道出版社， 2009:100. 8 W,001,17(5). 23 附 录 附录 A 设计实物图 24 附录 B 设计总程序 #，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义 #S = ; /控制端口 W = ; N = ; 33; 32; ; ; #0 /数据端口 #S=0 #S=1 #W=0 #W=1 #N=0 #N=1 (); i; i=0; ; ; ; ; 0)&()400) ,0,H); /* ,0,i); ,0,g); ,0,h);*/ ,0,:); ,0,-); /在第 1 行的第 1 列显示百位 ,0,-); /在第 1行的第 2 列显示十位 ,0,-); /在第 1 行的第 3 列显示个位 ,0,c); /在第 1行的第 2 列显示十位 ,0,m); /* 给 1602 显示寄存器赋值(0* /*1602 液晶显示 0* ,0,H); /* ,0,i); ,0,g); ,0,h);*/ 28 ,0,:); ,0,S/100+0); /在第 1 行的第 1 列显示百位 ,0,(S%100)/10+0); /在第 1 行的第 2 列显示十位 ,0,S%10+0); /在第 1 行的第 3 列显示个位 ,0,c); ,0,m); i=9000; i0) /* */ i; ; ;/51 ;/D _;/1i=0; ; _;/3; _;/4 /*函数 ; ;/清屏 0 /将低 4 位定时器 0 控制部分清零 0 /设置定时器 0 为方式 1 /设 置定时器 0 初值低 8 位 /设置 29 定时器 0 初值高 8 位 ; /启动定时器 0 ; /断 ; 1) ; ; 00; 80); if(00) ; ,1,w); ,1,e); ,1,i); ,1,g); ,1,h); ,1,t); ,1,:); ,1,0); ,1,0); ,1,0); 0,1,k); 1,1,g); ,1,w); ,1,e); ,1,i); ,1,g); ,1,h); ,1,t); ,1,:); ,1,00+0); ,1,(00)/10+0); ,1,0+0); 0,1,k); 1,1,g); 000); 30 附录 C 英文文献翻译 P. A 3010 he of of in As an of v is A is of of of A on of is of 1. in a in 0 in of On of in 976. 31 in of at to as of by of of As as on or to as in as or In a of in or is As an is It be of In be be 2. of be 1. do 2. do to to he to by p = p(x, t) = p0*ej( (1) an in a 32 kx an 2nf t is p is kx be in k x = (w/v - m) (2) v of aon of v or of v of v = (M/a) 1/2 (3) a is is M is an of of on of in on or of of of In as as