《基于51单片机的智能体重秤设计与实现》6400字

基于51单片机的智能体重秤设计与实现目录TOC\o"1-2"\h\u6187数字显示智能体重秤的设计 1325441绪论 2311201.1设计研究的综述 2274611.2设计研究的背景及意义 2261891.3体重秤的研究现状和发展趋势 3274392总体方案 318633硬件部分 4196373.1本设计所使用的面板 485693.2压力传感器模块介绍 475463.2电压方法和AD转换模块 5159353.4单片机处理器处理器 6211273.5设计中所使用的显示模块 6212744软件部分 7300914.1编程开发软件的介绍 7195604.2整体系统的流程图 7197654.3程序设计思路 8150635系统组装与调试 10249005.1系统的供电电路设计 1086235.2整体系统设计 10725.3数模转换模块的设计 1151525.4系统调试 12235856结束语 12560参考文献 1315296附录 13摘要：本文研究的内容是基于51单片机的智能体重秤。在我们日常生活中，人们对自己的体重变得更加关注，若有一台好的体重秤，每天测量体重变化已经变的很有必要。传统体重秤采用仪表设计，不仅仅测量时的误差较大，而且还存在读数不方便，而且体积也比较大，不易携带，为此，本设计采用STC公司的89C52RC作为MCU，设计了一款简易的体重秤。电路中使用的硬件有单片机最小系统、LCD1602液晶显示模块、HX711模数转换放大模块、压变传感器，通过电路设计与仿真测试，完成原理图设计，硬件搭建，代码编写，最终达到使用要求。本文说所设计的体重秤是一款便携、易操作、测量精度较高的体重秤。关键词：STC89C52单片机，体重秤，传感器，AD转换模块1绪论随着现代社会的飞速发展，电子行业的进步，以及集成电路等处理芯片的发展，给传统的测量测绘技术带来了新的方向，电子测量时代。对于电子秤行业来说，更是产生了革命性的影响。电子秤在我们生活中有很多应用，交易时的称重，体重的测量等，已经在各个行业表现出极高的不可缺少性。电子秤的水平决定了一个企业，甚至是一个国家的科技标准。从之前的磅秤、杆秤、台秤等器具向电子化发展，电子秤可以直观的看出物体的重量，操作简便。电子体重秤更是取代了市面上常见的指针型体重秤，本次设计就是在电子秤的基础上，通过改良和优化电路，减少成本，从而达到测量体重的目的。1.1设计研究的综述电子体重秤是一种新型的体重衡器，可分为家用小型体重秤，精密电子体重秤。电子体重秤相对于传统的体重秤，具有测量精度变得更高，体积变的更小，在外观上更加的美观，结构也变得更简单。在各个方面都优于传统的体重秤，特点更加鲜明。可在各种各样环境工作，重量信号可远传，也可直接显示，可以通过物联网模块将信息传递到云端，手机APP读取云端的数据，通过APP计算出身体的各项指标，实现对自己身体的了解。电子秤的发展可以概括为传统的机械天平式衡器，机械物理形变测量，到如今的电子测量时代。电子秤的发展也决定了体重秤的发展，现阶段体重秤正在向跟智能的方向发展。1.2设计研究的背景及意义设计一款电子体重秤由很重要的意义。随着改革开放以来，人们从“吃得饱”向“吃的好”在转变。大家在吃的时候更加关心食物的营养以及脂肪，而很对我们看不到的脂肪，就需要我们通过体重来判断身体内的体脂含量，来确保身体的健康程度。越来越多的年轻人开始减肥，每天都需要进行一次体重测量，这就要求测量的精确性要好。电子体重秤的出现改变了传统测量体重的不精准，改变了传统体重秤的笨重。设计一款精准的电子体重秤就能使人们对自身的重量得到了解，从而能更好的控制饮食。现在电子产品越来也多，给人们的生活提供很多方便，体重秤作为电子秤的一个分支在人们的日常生活中扮演着越来越不可或缺的角色。体积变得更小，比传统体重秤易操作，更易易读数，测量精度比传统体重秤高，耗电比传统体重秤低的新型51单片机电子体重秤会更加受到大众的关注。1.3体重秤的研究现状和发展趋势 体重是人体健康的一个非常重要的指标，所以人们对于体重秤的要求也越来越高，从传统的台秤，磅秤到现在高精度，易操作便携式体重秤，体重秤正随着人们的要求而不断自我更新。现在生活中体重秤有非电子的指针式，还有电子LCD显示的数码显示式。而现在，大多数体重秤正在向着全电子化发展，电子体重秤有着非常广阔的前景。目前市面上电子秤正在向着更加精准，更加便携，更加操作方便发展，而且还要保证电子秤的成本尽可能的低。 电子秤测量精准是首要条件，在测量精准的前提下，现在的体重秤在向着只能化发展，智能电子体重秤有很广泛的发展前景。目前电子秤集成的功能有，测量体脂，测骨密度，测量身体水分等。随着今后的发展，可以使用更多的传感器测量血压，身高等。再通过专用的APP进行身体参数分析，随时关注自己身体健康。我国智能电子体重秤还没有完全普及，可以猜想，未来中国智能电子体重秤的普及，会对中国国民身体素质产生深刻的影响。2总体方案当要完成一个设计时，一个流程图是第一步。把流程图分为不同部分，如软件、硬件，以及相互的结合功能。以下是整个流程及各模块的应用分析。 设计一个体重秤，第一步需要制作一个面板，当人站在面板上称重时，面板下方放置压力传感器，压力传感器中的压变片将压力信号转换为电压信号，电压值的范围在零伏到五伏之间，在经过A/D转换模块，将信号转化为数字信号，传入89C52单片机中[1]。然后单片机内部处理，计算，在 LCD液晶屏上显示出来，精度要求在0.2KG以内，并实时显示体重数据，由此可以获得一个测量系统，如下图2.1所示：液晶显示器处理器AD转换电压放大压力传感器液晶显示器处理器AD转换电压放大压力传感器图2.1单片机系统整体方案框图3硬件部分体重秤的应用系统是由硬件部分和软件部分组成，硬件是指单片机、显示设备、测量设备等；软件是驱动硬件工作的大脑。一个系统由硬件和软件相互结合，协调一致才能形成完整的单片机系统。系统应该先设计硬件再设计软件，根据硬件和功能编写软件程序，设计硬件的时候应该考虑软件的可执行性。本节详细介绍了本设计中使用的硬件模块，为什么选择此模块，该模块的优缺点，并在综合方面对该硬件进行取舍。3.1本设计所使用的面板 面板再体重秤制作中必不可少，它是一个设计的主要骨架。当使用者站在面板上时，使重力转变为压力作用在压变片上，将重力信号转换成电压值，才能得到所需的数据。因为胖人，瘦人体重相差大，所以电子体重秤面板需要的量程范围应大一些。考虑到大多数人的体重分布，最终将范围定到150KG。而这就要求面板可以承受更大压力而不损坏。为了使面板的承受能力增强，查阅资料后发现，增大接触面积可以降低对面板的相对压力，因此在制作过程中，尽可能的去增加传感器与面板的接触面积。相对于市面上流行的亚克力板，我选择木板座位此次体重秤的面板，并且木板价格相对于亚克力板来说更加低廉，也节约了成本。考虑到木板要承受150KG的重力，所以木板的厚度应该偏厚一点。经过反复对比，我最终选择了1CM厚的三合板，它能满足本实验的全部要求。3.2压力传感器模块介绍 体重秤传感器必须满足量程在159KG内，并且精度不能太低。对于某些体重轻的人，如儿童和小孩，他们的体重只有十几千克甚至不足十千克，而有些胖人，他们的体重甚至达到100KG以上。这就要求传感器输出电压的分辨率在1MV，而且要求传感器具有良好的线性变化度，迟滞性和蠕动性良好[2]。经过对传统传感器的比较，我选择了YZC-161E型号压变传感器，单只量程50KG，四只通过桥接可达200KG的量程，一般为了防止朝中损坏，设置为150KG的量程，基本满足本设计要求。除此之外，传感器应该满足灵敏度飘逸足够小，也就是随着外界温度变化，传感器输出电压不会相差太大。本次传感器各项技术指标如下表3.1所示，均满足项目要求。表3.1传感器技术指标名称 参数量程 50KG输出灵敏度 1.0±0.1MV/V非线性 0.08%重复性 0.05%迟滞 0.1%温度灵敏度飘逸 0.02%.f.s/℃零点平衡 ±1.0MV/V3.2电压方法和AD转换模块 电压信号被压变传感器将压力信号转换，改变不同重量会对传感器输出电压产生变化，但是这个电压变化很小，就需要进行电压放大，电压放大范围在一个确定的范围内，如果放大的倍数不够，那么对体重的精度会有影响，并且回影响芯片的AD转换，放大电压过大还会使元器件烧坏。 本设计选用HX711放大转换模块，此模块可用两路选择差分输入，芯片内部含有可以进行编写程序的放大器，模块内包含稳压电路，稳压电路可以向外部设备供电，芯片内包含时钟震荡源，不需要进行外接晶振。该模块在上电之后，可自行恢复原来的电路状态，并且该模块通过数字控制。该模块还支持串口通讯[3]；该模块出厂时已将所有芯片内部程序烧录进芯片，后续无需再编程。同步抑制50hz和60hz电源干扰，该模块满足本设计所有要求，因此选择此模块。该模块具体管脚如图3.2所示。图3.2AD模块引脚图3.4单片机处理器处理器 现在市场上可选择的处理器有很多种，比如STC公司的89C51系列，ST公司的STM32系列单片机，Arduino单片机，TI公司的MSP430单片机。各种各样的单片机种类繁多，五花八门。经过比较和筛选，最终我选择STC公司的89C52RC这款单片机，51单片机是一款常用的低功耗型高性能的微控制器，此款单片机是8位数据存储，片内有8K可编程FLASH存储器，采用MCS-51内核，可兼容51单片机程序[4]。此款单片机还具有32位I/O接口，看门狗，定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，最高工作频率35MHZ[5]。本设计使用的89C52采用了PDIP-40封装，工作温度范围为-40~+85摄氏度，满足本设计所有要求，并且STC89C 52可降至0hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式，所以采用此款单片机，该单片机的引脚图如图3.3所示[6][7][8]。图3.351单片机引脚图3.5设计中所使用的显示模块 本设计可选用的显示器模块有很多，如0,96寸OLED屏幕，串口屏，TFT屏幕，LCD1602等。考虑到体重秤数值变化需要低延时，而OLED显示屏虽然显示效果好，但是还有一定延时，所以排除此显示屏。而串口屏接线简单，显示延迟低，且显示效果好，但市面上串口屏价格偏贵，不适合本次设计，而TFT屏幕价格合适，但是接线及程序编写存在难度，稳定性不好，最终选择LCD1602屏幕，该程序是专门显示字母、数字、符号等的点阵显示模块。此模块工作温度在-20摄氏度到70摄氏度，各项参数均达到设计要求，所以选择此模块。4软件部分4.1编程开发软件的介绍 KeilforC51是51系列单片机开发所使用的编程软件。在51单片机开发中，我们使用的语言是C语言，该语言在20年计算机语言排行榜中，长期稳居前二名，是最常用的计算机开发语言。Keil软件支持各种系统，包括WIN2000，WIN7，WIN8，WIN10等的各种系统[10][11]。从软件发布至今，已经发布了第五代Keil软件，界面变得更加美化。可以在Keil软件中对所写的程序进行单步调试，可以看出程序逻辑中的错误，极大的减少了调试硬件的时间。Keil将人们写的C语言代码转变成单片机所能识别的汇编语言代码，再通过STC-ISP软件将代码烧写到单片机中。4.2整体系统的流程图 本设计采用STC89C52单片机来处理数据，首先必须安装单片机开发工具，89c52单片机使用的是KeilC51版本，在电脑上安装软件后建立工程文件，然后添加.C空白程序，开始编写代码。本设计主要编写数据采集和AD放大芯片的驱动程序，即编写HX711模块的驱动程序，通过对原始数据的采集、剔除、求平均值，手动调整偏差值，然后在89C52单片机中进行处理，最后编写LCD显示屏的驱动程序，并在LCD显示屏上显示刚处理过的数据。在主函数中，对各个模块进行初始化，然后进行一个死循环，一直测量并显示体重秤数值，将他们综合起来会成为一个系统，下图4.1是软件系统的流程图。初始化各个模块初始化各个模块HX711数据HX711数据采集89C52数据分析89C52数据分析获得体重数据获得体重数据是是超重报警是否超重超重报警是否超重否否LCD液晶LCD液晶显示图4.1程序流程框图4.3程序设计思路4.3.1显示屏程序设计 字符型液晶显示模块是HD44780控制芯片所制成的，控制的原理和其他液晶控制芯片基本是相同的，因此，使用该控制芯片所写的控制程序可以移植到大部分其他型号字符液晶模块上使用。显示模块外接有14个引脚或者接有16个引脚，多出来的两条线是背光电源线VCC和底线GNG，其控制原理与14脚的完全一样，定义如下图4.2所示[12]。图4.21602显示屏引脚图LCD通过初始化，再进行调用显示函数，就会在显示屏上显示对应的数字或字符。4.3.2主控单片机程序设计 单片机相当于整个系统的大脑，单片机的程序格外关键。单片机首先需要进行LCD1602的初始化，然后获得毛皮重量，这个重量是面板上的所有东西及面板作用到传感器的力，需要把这个重量剔除，然后才可以称重。然后建立一个死循环，在死循环中一直读取传感器发送过来的值，如果传感器发送失败，那么会在LCD1602上显示error字样。如果接收正确，那么会对数据进行求平均值的操作，连续5次数的平均值会被看作有效值，有效值会显示在LCD屏幕上。5系统组装与调试5.1系统的供电电路设计在整个设计系统中，51单片机的输入电压为3.3-5v，模块使用的电压为5v。考虑到整个系统中没有大功率的元器件，所以可以将所有5V供电接到同一电源上。本设计采用充电宝所转化出的5V电压，将充电宝转化的电压通过DC线连接到单片机上，单片机底板上有一开关，还可单独控制开关来操作整个系统的电源，开关上接了一个指示灯，该指示灯可以反应整个系统是否在工作[13][14]。该系统电源电路设计如图5.1所示。 图5.1电源电路图5.2整体系统设计 要使单片机工作起来，必须要搭建单片机的最小系统，51单片机最小系统包括单片机芯片，和RES连接的复位电路，和XTAL1,XYAL2连接的晶振电路，51单片机最小系统如下图5.2所示。晶振电路：本系统采用单片机内部方式产生时钟信号，然后对时钟信号进行12分频，作为单片机的机器周期。晶振电路接线到51单片机上的2个晶振专用引脚上，这两个引脚通过晶振电路取得时钟信号，晶振电路由晶振和两个电容组成，形成一个自激振荡器。复位电路：复位电路的功能是在单片机启动过程中，确保单片机的起始状态是复位状态，在单片机运行过程中，如果想回到初始状态，可以直接按复位电路上的按钮来复位。图5.2复位和晶振电路图5.3数模转换模块的设计在传统电子秤中只对一个应变片测量其模拟电压值即可，但是体重秤使用了四个压力传感器，我们需要对四个压力传感器输出的电压进行合并。电路中最常用的方法就是将四个电路通过桥接在一起，再通过测量对端的电压来确定四个应变片感受到的压力。电阻型的压变片是通过将不可测的压力转换为可以测量的电压，一般这个电压都很小，重量发生改变时，电压变化的更微小，所以需要放大电路对电压进行放大。图5.3是体重秤所使用的电桥电路，是供电输入：RdRdRaRcRbResBridgeEin图5.3桥型电路图5.4系统调试本文已完成基于单片机的压力检测的整体设计。现将就已设计好的系统进行系统调试。使用STC-ISP下载烧录软件，将Keil生成的HEX文件烧录到单片机上，在程序下载到单片机后，要对整个硬件电路做调试。首先拿出20KG的物品，放置到系统上查看读数，经过调整程序中的偏差值，使得显示重量与物体本身重量相同。再经过40KG，60KG，80KG重物的测试，得到适合所有量程的偏差值，修改程序，再烧录到单片机上，系统调试完成。6结束语本文研究的内容是基于51单片机的智能体重秤。在我们日常生活中，年轻人对自己的体重变得更加关注，因此一台好的体重秤来每天关注自己的体重变化已经变的很有必要。传统体重秤采用仪表设计，不仅仅测量时的误差较大，而且还存在读数不方便，而且体积也比较大，不易携带，因此本需要一款便携、易操作、测量精度高的体重秤。本设计采用STC公司的89C52RC作为MCU，设计了一款简易的体重秤