智能人体电子称设计.docx

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智能人体电子称设计

本科生毕业论文（设计）

题目：

智能人体电子称

学生姓名：

向康义

学号：

20100101001

专业班级：

电信10102班

指导教师：

龚伟

完成时间：

2014年5月

目录

摘要………………………………………………………………………………1

引言……………………………………………………………………………………1

1绪论…………………………………………………………………………………2

1.1选题背景和意义…………………………………………………………………2

2电子秤的原理及理论………………………………………………………………2

2.1电子秤系统的组成……………………………………………………………2

2.2电子秤的基本结构………………………………………………………………3

2.3电子秤的工作原理和性能……………………………………………………3

3系统方案论证及选型………………………………………………………………4

3.1系统设计设计总方案……………………………………………………………4

3.2单片机概述………………………………………………………………………5

3.2.1单片机方案及选型…………………………………………………………7

3.3传感器选择……………………………………………………………………7

3.4A/D转换器选择…………………………………………………………………7

4系统硬件电路设计………………………………………………………………8

4.1AT89C51概述…………………………………………………………………8

4.1.1主要特性……………………………………………………………………8

4.1.2管脚说明……………………………………………………………………9

4.2LCD1602显示模块设计…………………………………………………………9

4.2.1LCD1602显示原理……………………………………………………………10

4.2.2管脚说明及原理图…………………………………………………………10

4.3键盘输入电路设计……………………………………………………………11

5系统仿真及调试…………………………………………………………………11

6结论………………………………………………………………………………13

7参考文献…………………………………………………………………………14

8答谢……………………………………………………………………………15

9附录………………………………………………………………………………19

智能人体电子称设计

电子信息科学与技术专业学生：

向康义

指导老师：

龚伟

摘要：

本设计以单片机AT89C51作为主控系统；通过对设计方案的比较，介绍了基本单元电路，它包括AT89C51，重力传感器，前端处理模块，LCD1602液晶显示模块和键盘输入等部分；分析了整体的设计思路及工作原理；采用KEIL开发环境，通过Proteus软件仿真及调试了整体系统；实现了显示人体体重，通过人机交互输入身高，显示肥胖程度，以及超重报警功能；最后仿真的结果显示，本设计实现了所有的预期设计的功能。

关键词：

AT89C51，LCD1602，称重传感器，仿真

Intelligenthumanelectronicscale

ElectronicsandInformationScienceandTechnologyCandidate:

XiangKangyi

Advisor:

WeiGong

Abstract:

Thisdesignbysingle-chipmicrocomputerAT89C51asthemaincontrolsystem;Bycomparingthedesignscheme,thispaperintroducesthebasicsinglecircuit,itconsistsofAT89C51,gravitysensor,thefront-endprocessingmodule,LCD1602LCDmoduleandkeyboardinput,etc;Analyzedtheoveralldesignideasandworkingprinciple;UsingKEILdevelopmentenvironment,throughtheProteussoftwaresimulationanddebuggingthewholesystem;Torealizethehumanbodyweight,height,bytheman-machineinteractiveinputshowobesity,aswellastheoverweightalarmfunction;Finallythesimulationresultsshowthatthisdesignimplementsallthefunctionoftheexpecteddesign.

Keywords:

AT89C51,LCD1602,weighingsensor,thesimulation

1绪论

本设计主要是通过单片机为控制核心的智能人体电子称的设计与制作，核心是单片机及其最小系统，AT89C51作为主控系统，重力传感器、LCD1602液晶显示、按键电路以及复位电路等为一体。

设计电子称的方式多种多样，编程语言也有很多，本设计用我们所熟悉的C语言进行编程，能达到通俗易懂一目了然的效果。

而仿真软件也有很多种类，其中proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

proteus软件是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，实现了从概念到产品的完整设计，也是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB软件设计和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，受到国内学者的青睐，故本设计将采用proteus软件仿真。

1.1选题背景和意义

称重技术自古以来被人们重视,作为一种测量方法,广泛应用于工业和农业、科研、交通、内外贸易等领域,与人们的生活紧密相连。

电子秤是电子衡器、衡器是国家法定计量器具,是国民经济和民生,国防建设、科学研究、内外贸易不可缺少的计量设备。

衡器产品技术水平的高低,将直接影响到现代化水平和各行各业的提高社会的经济效益。

称重装置不仅是提供单体设备的重量数据,以及工业控制系统和业务管理系统的一个组成部分,促进了工业生产的自动化和管理的现代化,它起到了缩短操作时间,改善工作条件,减少能源和材料消耗,提高产品质量,加强企业管理,提高管理方面的作用。

称重设备已达到国民经济各领域的应用取得了显著的经济效益。

电子秤称重技术是一种新型的仪器,广泛应用于各种场合。

电子秤与机械秤相比具有体积小、重量轻、结构简单、价格低廉,实用价值强、维护方便等特点,可以在各种环境信号远传电信体重,容易实现重量数字显示,容易与计算机网络,实现生产过程自动化,提高劳动生产率。

例如：

标签在超市中的应用比较广泛。

一个小标签包含:

描述、价格、重量等等。

使用标签机大大加快销售速度,也方便客户。

条形码标签说有许多优异的特点,以太网功能使管理更方便。

因此,各国研究和认真衡器工业的发展。

50年代电子技术的渗透促进衡器制造业的发展。

出现在60年代初机电结合式电子衡器,随着科技时代的快速发展,微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。

经过40年的不断改进和完善,衡器技术也在不断进步和提高。

从世界水平看,衡器技术经历了四个阶段,从传统的机械组成的机械部件根据使用机械部件的电子电路来取代机电结合的规模,从集成电路和单片机系统电子计价秤的设计。

我国电子衡器从最初的机电结合式发展完整的电子和数字智能今天。

如今电子衡器制造技术及应用的新发展:

从静态到动态称重重量电子称重技术开发;发达从模拟到数字测量方法测量,测量特征从单一参数多参数测量。

常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代,使得传统的电子测量仪器,远离,功能、精度和自动化水平已经发生了巨大的变化,和相应的出现了各种各样的智能仪表控制系统,使科学实验和应用工程,提高自动化程度。

2电子秤原理及理论

2.1电子秤系统的组成

电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量参数、大小、特性。

不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：

（1）承重、传力复位系统

它是被称物体与转换元件之间的机械、传力复位系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷的承载器、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减振机构等。

（2）称重传感器

即由非电量（质量或重量）转换成电量的转换元件，它是把支承力变换成电的或其它形式的适合于计量求值的信号所用的一种辅助手段。

按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）和应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。

对称重传感器的基本要求是：

输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体的状态的影响要小；能在较差的工作条件下工作；有较好的频响特性；稳定可靠。

（3）测量显示、数据

即处理称重传感器信号的电子线路。

在数字式的测量电路中，通常包括前置放大、运算、计数、等环节。

2.2电子秤的基本结构

电子称外部主要由称托、键盘、显示屏等各部份组成。

称托主要用于承载物体，以便方便测量。

键盘主要是用做输入，在不同类型的电子称有不同或又相同的作用。

例如：

输入条形码，身高，单价等等。

显示屏主要显示我们需要通过测量得到的数据，它可以是重量，总价，身体健康指数等等。

2.3电子秤的工作原理及性能

当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（一般成正比关系）的电信号（电压或电流等）。

此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。

运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示。

一般地信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。

电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：

量程、分度值、分度数、准确度等级等。

（1）量程：

电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。

（2）分度值：

电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。

用e或d来表示。

（3）分度数：

衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。

电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积表示即Max=n·d

（4）准确度等级：

国际法制计量组织把电子秤按不同的分度数分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类等级，分别对应不同准确度的电子秤和分度数n的范围，如下表2-1所示：

电子秤等级分类

标志及等级

电子秤种类

分度数范围

特种准确度

基准衡器

n>100000

高准确度

精密衡器

10000

中准确度

商业衡器

1000

普通准确度

粗衡器

100

表2-1

3系统方案论证及选型

3.1系统设计总体方案

系统设计总体方案框图如图3-1所示：

图3-1设计总体方案图

利用称重传感器检测压力信号，得到微弱的电信号（本设计为电压信号），而后经前端处理（如滤波，放大）后，送A/D转换器，将模拟量转化为数字量输出。

控制器部分接受来自A/D转换器输出的数字信号，经过复杂的运算，将数字信号转换为人体的实际重量信号，并将其存储到存储单元中。

对键盘进行扫描，而后通过键盘散转程序，对整个系统进行数据输入。

LCD显示部分根据设计的需要实现显示功能。

3.2单片机概述

单片微型计算机简称单片机，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

它最早是被用在工业控制领域。

由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列单片机系统。

因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在，基于8051的单片机还在广泛的使用。

在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。

3.2.1单片机方案及选型

方案一：

STM8是STM公司推出的新款MCU，性能高，外设资源丰富，带有12位AD、12位DA、脉宽调制PWM、最高机器周期16MHz等。

且其功耗非常小，价格便宜，性价比非常高。

缺点是只能用官方开发的S-Link下载器进行下载，其价格比较高，一般学习者手上都没有，不太适合初学者使用。

方案二：

AT89C51单片机，AT公司的51单片机应用广泛，优点是支持ISP在线下载，缺点是价格比较高。

方案三：

STC89C52，宏晶公司的51系列单片机，价格便宜，在国内使用者非常多。

支持串口下载，使用非常方便，且具有很大的价格优势。

缺点是仅支持串口下载，不支持在线下载，使用中会有些不方便。

综合以上考虑以及所学得的单片机知识主要是C51单片机，并且与AT89C51也是兼容的，本设计将选用方案二即AT89C51单片机作为该设计的最小系统的控制芯片。

3.3传感器选择

称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号的输出装置。

用传感器应先可虑传感器所处的时间工作环境，这点对正确选用称重传感器直观重要，他关系到传感器能是否正常工作以及它的安全及使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。

在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。

传感器主要有S型、悬臂式、轮辐式4、板换式、膜盒式、柱筒式、桥式等。

压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。

其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。

本设计采用有摩托罗拉公司设计的压力传感器MPX4115,MPX4115系列旨在绝对气压高度计或感觉气压计（BAP）应用程序。

摩托罗拉BAP传感器集成片上,双极op放大器电路和薄膜电阻网络提供一个高水平模拟输出信号和温度补偿。

MPX4115主要特点：

·最大误差1.5%0°-85°C

·适合微处理器或Microcontroller-Based系统

·专利硅剪切应力应变仪

·在绝对可用,微分和计配置

·耐用环氧一体式元素

·易于使用的芯片载体选择

MPX4115如下图3-1所示：

图3-2MPX4115实例图

3.4A/D转换器选择

ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

芯片参数：

·工作电压：

+5V，即VCC=+5V。

·模拟输入电压范围：

0～+5V，即0≤Vin≤+5V。

·分辨率：

8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0～255之间。

·转换时间：

100us（Eck=640KHz时）。

·转换误差：

±1LSB。

·参考电压：

2.5V，即Vref=2.5V

4系统硬件电路设计

4.1AT89C51概述

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

4.1.1主要特性：

·与MCS-51兼容。

·4K字节可编程闪烁存储器。

·全静态工作：

0Hz-24Hz。

·三级程序存储器锁定。

·128*8位内部RAM。

·32可编程I/O线。

·两个16位定时器/计数器。

·5个中断源。

·可编程串行通道。

·低功耗的闲置和掉电模式。

·片内振荡器和时钟电路。

4.1.2管脚说明：

图4-1AT89C51原理图

Vcc：

供电电压。

  GND：

接地。

 P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

 P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

  P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

  P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表4-1所示：

P3口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（串行口输出）

P3.2

INT0（外部中断0输入）

P3.3

INT1（外部中断1输入）

P3.4

T0（定时器0外部脉冲输入）

P3.5

T1（定时器1外部脉冲输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写脉冲输出）

P3.7

RD（外部数据存储器读脉冲输出）

表4-1P3口参数

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

4.2LCD1602显示模块设计

4.2.1LCD1602显示原理

LCD液晶显示器各种图形的显示原理：

（1）线段的显示：

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理。

（2）字符的显示：

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

（3）汉字的显示：

汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。

4.2.2管脚说明及原理图：

VSS：

为地电源。

VDD：

接5V正电源。

VEE：

为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

RS：

为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

R/W：

为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

E：

端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

D0～D7