毕业设计(论文)-智能型身高体重仪的研制.doc
《毕业设计(论文)-智能型身高体重仪的研制.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-智能型身高体重仪的研制.doc(65页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、智能型身高体重仪的研制1 智能型身高体重仪的概述身高体重仪,早已被广泛用于家庭和平常的生活中,使人们对自己的身体状况有更好的掌握,更好的提高人们对健康的认识。传统的身高体重仪器一般为机械结构,这种仪器需要人工操作,不能显示,数据需要通过指针和刻度盘来读取,这种仪器用起来很不方便,而且它的误差也比较大,有仪器自身误差,也存在人为的在读取时所产生的随机误差等。近年来,市面上也大量流行着能测人体身高和体重的电子人体称,它能自动测量出人的身高体重值,并配有打印机输出和语音播放电路,在很大程度上提高了人体身高体重测量的准确性,也丰富了测量的趣味性。一般来说这种身高体重仪,操作简单,由人启动后测重、测高、
2、显示、打印、语音播放等功能都可以自动完成的,但是这种仪器也存在某些方面的不足:体积大,移动起来不方便;测高功能是通过测高平杆带动码盘转动,码盘孔用光电读取头把测高脉冲传给单片机进行计数,从而得到被测者的身高值,这种仪器需要电机来带动测高平杆移动,为接触型测量,并且测量速度不快;同时还需要人工来操作。智能型身高体重仪,顾名思义,就是整个测量身高和体重的过程都是自动完成的。同时,它又具备了传统身高体重仪所不具备的优点和亮点:小巧玲珑,移动方便;测量速度快、准确,并且为非接触型仪器;而且它功耗低,且无需人工操作,是一种完全的智能自动化仪器。这种仪器在使用时,即进行身高体重测量时,只要被测者站在仪器上
3、所示的位置,本仪器就会自动的进行身高与体重的测量,然后对结果进行直观的数字显示和语音播放。对于本仪器来说,整个工作过程就是:通电开机,在无人测量状态下显示时钟日历,同时检测是否有人要进行测量;如有,系统自动启动测量身高和体重的电路进行测量。具体的测量过程为:启动超声波测高发射电路等待超声波反射回来并计算出时间差由温度传感器测出温度并对声速进行补偿计算出身高值并送入控制系统从称重传感器输出的信号经放大并A/D转换后的体重值送入控制系统由控制系统算出结果最后为显示和播放所测得的身高体重值并打印出结果结束。整个测量身高和体重的过程,不必由人工操作即可全部自动完成。可见,对智能型身高体重仪的研制还是有
4、很积极的意义的。2 方案论证按照本设计功能的要求,系统由9个部分组成:控制器部分、体重测量部分、身高测量部分、时钟日历部分、数据显示部分、语音处理部分、打印控制部分、扩展I/O部分和电路电源部分,智能身高体重仪的总体电路结构图2-1所示:控 制 器部 分体重测量部分身高测量部分数据显示部分语音处理部分时钟日历部分打印控制部分扩 展I/O部 分图2-1 智能身高体重仪的总体电路结构图2.1 控制器部分方案论证本系统控制器部分的可选择的方案有以下两种:方案一、采用大规模可编程逻辑器件来进行控制;采用本方案,会使系统设计起来相当复杂。又因为系统需要进行数码显示、语音播放和打印控制,所以不宜采用大规模
5、可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)来实现。因为大规模可编程逻辑器件一般是使用状态机方式来实现,即所解决的问题都是规则的有限状态转换问题。本系统状态较多,用本方案难度较大。方案二、采用单片机来实现控制以单片机为主体的设计,可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起,组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。这种新型的智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面,都取得了巨大的进展。所以本系统采用本方案,即基于51系列单片机来实现,又因为系统没有其它高标准的要求,再考虑到本设计中程序部分比较大,所以我们最终选择了AT89C52这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求。AT8
6、9C52内部带有8KB的程序存储器,基本上已经能够满足我们的需要;有四个I/O口,不能满足本设计中功能的要求,所以我们用它的P0口和8255进行了扩展。2.2 体重测量部分方案论证体重测量部分是由传感器将站在测量台上的被测者的体重转变为近似线性的电压输出,这个微小的电压是毫伏级的,它不能满足A/D转换器的输入需求,所以要对这个微小的输出电压进行信号的前级处理即滤波和放大后,才能满足A/D转换所需的电压幅度,经过A/D转换器的转换将模拟电压值转换为相应的数字量,由单片机AT89C52进行运算处理。至于如何运算才能使处理后的结果对应被测者的真实的体重,这主要是由A/D转换器的分辨率和称重传感器的量
7、程所决定的,结果的运算主要由软件来实现。2.2.1 传感器的方案论证传感器在电子衡器中的核心部件,也是本仪器中性能价格比的基本决定因素,所以传感器的选择具有着重要的意义。测重的传感器我们可以用压力传感器,也可以用称重传感器。考虑到称重传感器集材料、工艺技术、加工测试技术及微电子技术于一体,技术含量比较高,属高科技产品,其几十年的发展也使其在原理、材料、电子测量技术等方面都已趋向成熟,又考虑到一般电子衡器大多都是采用称重传感器,所以体重测量部分中我们也选择了称重传感器。又考虑到人的体重一般都在0120Kg以内,再根据本设计要求,重量误差应控制在0.15Kg,又考虑到秤台自重、振动和冲击分量,还要
8、避免超重损坏传感器,所以我们确定传感器量程为150Kg。最终方案我们选择的是上海开沐自动化有限公司生产的NA-TH150型称重传感器,量程150Kg,允许过载为150%F.S。它可以满足本系统的精度要求、量程要求以及价格等要求。2.2.2 前级处理电路部分方案论证称重传感器存在着桥压的纹波等一些干扰信号,再加上称重传感器输出的电压信号为毫伏级,所以我们要对称重传感器的输出信号进行处理,才能输入A/D转换器中。前级处理电路部分,我们考虑可以采用以下几种方案:方案一、利用普通低温漂运算放大器构成前级处理电路;普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度,所以几毫
9、伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以,此中方案不宜采用。方案二、主要由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器,而构成的前级处理电路;差动放大器具有高输入阻抗,增益高的特点,可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。其设计电路如图2-2所示:电阻R1、R2电容C1、C2、C3、C4用于滤除前级的噪声,C1、C2为普通小电容,可以滤除高频干扰,C3、C4为大的电解电容,主要用于滤除低频噪声。图2-2 普通运放所设计的差动放大器电路优点:输入级串入跟随放大器,增大了输入阻抗,中间级为差动放大电路,滑动变阻器R6可以调节输出零点,最后一级可以用于微调放大倍数,使输出满足满量程要求。输出级
10、为反向放大器,所以输出电阻不是很大,基本上可以符合应用的要求。缺点:此电路要求R3、R4相等,误差将会影响输出精度,难度较大。实际测量,每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。方案三:采用专用仪表放大器,如:INA126,INA121等构成前级处理电路。此类芯片内部采用差动输入,共模抑制比高,差模输入阻抗大,增益高,精度也非常好,且外部接口简单。以INA126为例,其接口电路如图2-3所示: 图2-3 INA126接口电路放大器增益,通过改变的大小来改变放大器的增益。基于以上分析,我们决定采用由制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126来完成前级处理电路的设计。 2.2.3 A/D转
11、换电路部分方案论证考虑到对体重的测量,精度要求不是很苛刻,而10位A/D转换器误差应在精度范围之内。10位A/D精度:150Kg/1024=0.146Kg,这样的精度可以满足我们设计的要求,所以我们选择10位或者精度更高的A/D。我们考虑用以下方案:方案一、逐次逼近型A/D转换器,如:ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D转换,一般具有采样/保持功能。采样频率高,功耗比较低,是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟,基于AT89C52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。但考虑到所转换的信号为一慢变信号,逐次逼近型A
12、/D转换器的快速的优点不能很好的发挥,且根据系统的要求,10位AD足以满足精度要求,太高的精度就反而浪费了系统资源。所以此方案并不是理想的选择。方案二、双积分型A/D转换器:如:ICL7135、ICL7109、ICL1549等。双积分型A/D转换器精度高,但速度较慢(如:ICL7135),具有精确的差分输入,输入阻抗高(大于),可自动调零,超量程信号,全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零,所以对50Hz的工频干扰抑制能力较强,对高于工频干扰(例如噪声电压)已有良好的滤波作用。只要干扰电压的平均值为零,对输出就不产生影响。尤其对本系
13、统,缓慢变化的压力信号,很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为测量体重的仪器,系统对A/D的转换速度要求并不高,精度上10位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器具有较强的抗干扰能力、精确的差分输入以及低廉的价格等优点。同时我们又考虑到串行输入/输出的A/D转换芯片具有接线简单,功耗低,价格低廉等特点,综合的分析其优点和缺点,我们最终选择了ICL1549。2.3 身高测量部分方案论证身高测量有我们可以采用以下的方案:方案一、利用标尺和刻度来测量身高;这个方案与我们所设计的智能化仪器原则相违背,所以我们舍弃此方案。方案二、采用电子仪器控制测高
14、平杆接触人体来自动完成身高的测量;此方案中身高的测量是用测高平杆自动带动码盘转动,码盘孔用光电读取头把测高脉冲传给单片机进行计数,从而得到被测者的身高值。这种方案测量速度慢,而且直接导致测量仪器设计复杂,体积庞大,也体现不出我们所说的智能化,所以我们也不采用本方案。方案三、采用超声波传感器或光栅传感器等来完成无接触的身高测量。身高测量中是体现我们智能仪器的一个重要的方面,所以在方案的选择上我们应舍弃一些传统的方案;又由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离远,经常用于距离的测量;再加上利用超声波检测距离,设计比较方便,测量速度快,计算处理出比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使
15、用的要求;所以我们本设计中采用超声波传感器来进行身高的测量。2.4 时钟日历部分方案论证时钟日历部分我们可采用以下两种方案:方案一、采用并行接口的时钟日历芯片;并行芯片我们常用的是DS12C877,它解决了K2K问题,内部还具有114个RAM可供系统在掉电后存储系数等数据;它的连接是与RAM使用同一个插座,需要8根数据地址线。方案二、采用串行接口的时钟日历芯片。串行芯片我们常用的是DS1302,它计时准确,可对秒、分、时、日、周、年、月以及带闰年补偿的年进行补偿。它有自己的振荡电路,它只需要3根数据线和单片机通讯,接线简单方便,在系统运行时还有对后备电源自动充电功能,在掉电时,可以继续计时。考
16、虑到本设计中对时钟日历部分不是必要的部分,只是作为功能扩展部分,所以我们在设计中选择性比较大,但是考虑到价格和接线等因素,在本设计中我们选用了本方案中的这种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片DS1302。2.5 数据显示部分方案论证数据显示部分我们可以采用以下的方案:方案一、采用LCD液晶显示;方案二、采用LED数码管显示。考虑到本设计中的需要显示的数据分为两部分,初始时为日历和时钟部分,待测量结束后,显示为身高和体重的值,这两个部分都只是数字数据,而且都只需要8位(月、日、时、分各2位;身高4位,体重4位)就可以满足要求,考虑到LCD比LED的价格工作电压等因素,再加上在本设计中我们对显
17、示部分没有太高的要求,所以本设计中的显示部分采用方案二即用普通的8位共阴极7段数字型LED,分时显示。在共阴极7段数码管的驱动问题上,我们选择了MAX7219,MAX7219是集成的串行输入/输出共阴极显示驱动器,这种接口微处理可驱动8位7段数字型LED或条形图显示器或64只独立LED。MAX7219内置有BCD译码器、亮度控制寄存器、多路扫描电路、段及数字驱动器和用于存储每一位的88静态RAM,对所有的8个LED来说,只需要外接一个电阻就能控制段电流的大小。2.6 语音播放部分方案论证 语音播放部分可以采用以下方案:方案一、采用只能播放语音的芯片;这种芯片为放音芯片,它的数据大多放在单片机的
18、内存单元中,使用起来相当不便,而且增加了软件设计时的复杂程度,同时用这种芯片修改起来也相当的复杂,所以我们不用此方案。方案二、采用语音录放芯片。例如ISD1400系列单片机语音录放芯片,这种芯片大多由时钟振荡器、内部存储器、微音放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差动功率放大器等高品质语音录放电路所构成。考虑到本部分只用于给用户提供一些操作提示和报告测量结果。根据系统的要求,我们采用美国信息存贮器件公司ISD1400系列中的ISD1420,它采用在E2PROM中直接模拟量存贮技术(DAS),省去数字存贮器、数据转换及备用电电源等外围电路,具有低功耗、零功率存贮信息、无需编辑开发机、高保真语
19、音录放等特点。2.7 打印控制部分方案论证打印机可供我们选择的方案有以下几种:方案一、采用高档型的打印机;这种打印机功能齐全,打印速度快,但体积较大,价格昂贵,又考虑到在本设计中我们对打印的功能无如此高的要求,所以我们不用此方案。方案二、采用微型的针式打印机。根据本设计的要求和系统的功能要求,又考虑到我们打印的只是一般的数字数据和一般的字符,所以点阵式打印机就可以满足我们的要求;再加上价格体积等方面的因素,我们决定采用本方案,微型打印机型号我们选择的是TPP-40A。2.8 扩展I/O部分方案论证由于本系统外围器件较多,要想满足本设计的要求,AT89C52本身的I/O口是不够用的,所以我们要对
20、其进行扩展。扩展的方案有以下几种:方案一、采用Intel公司的8255(38位)进行扩展。方案二、采用Intel公司的8155(28位6位)进行扩展。方案三、采用Intel公司的8243(44位)进行扩展。方案四、采用Silos公司的PIO(2 8位)进行扩展等。根据系统设计要求及考虑到各因素,我们通过单片机的P0口和8255进行了扩展,扩展后8255的接口:PA口和PC口用来控制打印机,PB口用控制语音处理电路。2.9 电路电源部分本设计中除了超声波发射电路中的555定时器需要+12V电源外,其他的芯片大都是用+5V电源供电,所以我们在系统中需要提供+12V和+5V的电源。在本设计中电源部分
21、可以由两个方案来实现:方案一、直接用直流稳压器输出+12V和+5V直流电压;方案二、通用的220V交流电压通过变压器变压并整流后输出+15V,并接至LM7812和LM7805的输入端Vin。考虑到价格等各种因素,在本系统设计中我们采用方案二。3 系统硬件设计3.1 智能型身高体重仪的硬件设计概述本设计要求系统完成:在开机后,无人测量时,仪器显示日期和时间,日期和时间数据由时钟芯片DS1302提供,数据用MAX7219驱动的8位7段LED显示;有人测量时,系统自动启动测量电路。测量过程中,由控制器发出控制命令,启动身高测量电路和体重测量电路;测量结束后,数据送入控制器AT89C52,再由控制器A
22、T89C52把结果送入显示缓冲区,并刷新显示部分,显示身高和体重值,此时 8位LED不再显示日期和时间,而是用来显示测量结果;同时由控制器AT89C52通过扩展芯片8255送出数据命令来控制语音芯片ISD1420,报告出身高体重值,并报告所计算出被测者体型情况;最后再由控制器AT89C52通过8255送出数据/命令来对打印机TPP-40A进行控制,打印出测量结果。本设计的控制核心即控制器部分我们采用的是ATMEL公司生产的89系列单片机中的AT89C52,所有的控制命令和数据处理都由它来完成。测量身高部分通过超声波传感器发射电路和超声波接收电路完成,并用AT89C52中的定时器进行计时,计算出
23、所用的时间,然后再根据DS18B20测出的温度,对声速进行补偿,然后由时间乘以声速即可计算出超声波探头与被测者头部的距离;由于超声波传感器的探头离被测者脚底的距离是固定和已知的,所以两个距离的差即为被测者的身高。测量体重部分通过称重传感器输出的毫伏信号,经过前向通道中的放大滤波,输出到A/D转换器ICL1549的输入端,经过A/D转换后,数据直接输出到控制器AT89C52,由单片机对其进行运算处理计算出结果。显示、语音和打印部分,在设计中比较的具体化,在此我们不于叙述,我们将在本章的后面几节中给予详细说明。3.2 控制单元设计由于本设计的核心即控制单元的设计只有一个AT89C52单片机,又因为
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 智能型 身高 体重 研制
链接地址:https://www.31doc.com/p-3950314.html