数字身高体重测量仪设计方案1.docx
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数字身高体重测量仪设计方案
1.1选题背景及目的
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AD转换器件、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
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的电子秤具有基本称重、显示功能。
该电子秤的测量范围为0-200Kg，测量精度达到1kg，有高精度，低成本，易携带的特点。
1.2总体方案设计与论证
1.2.1设计任务
（1）题目：
数字身高体重测量仪
（2）测量要求：
超声波测高精度±1cm，测量范围2cm-4m
称重精度1kg，测量范围1kg-200kg
要求测量准确，能同时在显示屏上显示出来。
1.2.2设计内容
外围设备：
（1）51单片机最小系统开发板
（2）STC89C52主芯片
（3）超声波测距模块
（4）压力传感器称重模块
（5）AD转换模块
（6）1602液晶显示模块
1.2.3方案论证与选择
方案一：
采用FPGA控制，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
问题。
现就各个选择做以下论证。
FPGA功能强大，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1/200~1/500；电阻应变式传感器的称量范围为300g至数千kg,计量准确度达
1/1000~1/10000,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
2.1主控电路
我们主控制电路采用STC89C52芯片，STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/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]：
1.工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）
2.增强型8051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.
3.工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
4.片上集成512字节RAM
5.用户应用程序空间为8K字节
6.具有EEPROM功能
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.通用I/O口（32个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，
P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为
I/O口用时，需加上拉电阻。
9.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
11.具有看门狗功能
12.工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
13.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
14.PDIP封装
其管脚定义如图2.1所示。
图2.1STC89C52管脚图
2.2超声波测高模块电路
2.2.1超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=Ct/2，式中的
C为超声波波速。
利用超声波测高前先用超声波测出发射头与地面的高度H1并存入单片机，然后将被测物体移入测量区内测得上表面距离H2，用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2.2所示。
图2.2超声波测高原理图
我们使用的是模块化的超声波HC-SR04测距，HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路[4]。
其基本工作原理如下：
（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，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;
2.2.2超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2.1所示：
表2.1电气参数
超声波时序图如图2.3所示：
图2.3超声波时序图
以上时序图表明我们只需要提供一个10uS以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHZ周期电平并检测回波。
一旦检测到有
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P3.3脚提供一个16us的高电平给TRIG口，通过模块自动测距接受ECHO的回响高电平信号给P3.2脚，因此用
ECHO高电平持续时间t/58就是超声波测得的距离S（cm）。
HC-SR04模块实物图如图2.4所示：
图2.4HC-SR04模块
2.3压力传感器称重模块
2.3.1压力传感器
称重传感器采用200kg的应变式压力称重传感器YZC-1B，其内部为4个应变片构成的电桥形式。
其测量原理如图2.5所示。
当垂直正
压力P作用于梁上时，梁产生形变， 图2.5传感器受力工作原理电阻应变片R1、R2受压弯拉伸，阻值增加；R3、R4受压缩，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P成正比，从而将非电量转化成电量输出[5]。
R1、R2、R3和R4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2.6所示。
图2.6测量电桥原理
传感器实物图如下图所示：
图2.7称重传感器
2.3.2称重AD转换芯片
HX711是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MCU芯片的接口和编程非常简单，所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A或通道B，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±20mV或±40mV。
通道B则为固定的64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/D转换器提供电源，系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过程。
图2.8为HX711芯片应用于体重测量的一个参考电路图。
该方案使用内部时钟振荡器（XI=0），10Hz的输出数据速率（RATE=0）。
电源（2.7～5.5V）直接取用与MCU 芯片相同的供电电源。
通道A与传感器相连，通道B通过片外分压电阻与电池相连，用于检测电池电压。
图2.8HX711外部管脚图
HX711主要电气参数如表2.2所示。
表2.1HX711电气参数表
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输入共模电压范围
V（inp）-V（inn）
使用片内振荡器，RATE=0
±0.5（AVDD/GAIN）AGND+0.6AVDD-0.610
VV
输出数据速率
使用片内振荡器，RATE=DVDD外部时钟或晶振，RATE=0
外部时钟或晶振，RATE=DVDD
80
fclk/1,105,920fclk/138，240
Hz
输出数据编码
二进制补码
800000
7FFFFF（HEX）
输出稳定时间
（1）
RATE=0
400
mv
RATE=DVDD
50
输入零点漂移
增益=128
0.2
增益=64
0.8
输入噪声
增益=128，RATE=0
50
nV（rms
温度系数
输入共模信号抑制比
增益=128，RATE=DVDD
输入零点漂移（增益=128）增益漂移（增益=128）
增益=128，RATE=0
90
±7
±3
100
）
nV/℃ppm/℃dB
电源干扰抑制比
增益=128，RATE=0
100
dB
输出参考电压（VBG）
外部时钟或晶振频率
1.25
111.059230
V
MHz
电源电压
DVDD
2.6
5.5
V
AVDD,VSUP
2.6
5.5
模拟电源电路
正常工作
1600
uA
（含稳压电路）
断电
0.3
数字电源电路
正常工作
100
uA
断电
0.2
2.3.3称重部分AD转换基本原理
如图2.9所示HX711内部方框图，HX711可以在产生VAVDD和
AGND电压，即711模块上的E+和E-电压。
该电压通过
VAVDD=VBG（R1+R2）/R2
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