《基于51單片機的智能體重秤設計與實現(xiàn)》6400字

基于51單片機的智能體重秤設計與實現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\u6187數(shù)字顯示智能體重秤的設計 1325441緒論 2311201.1設計研究的綜述 2274611.2設計研究的背景及意義 2261891.3體重秤的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 3274392總體方案 318633硬件部分 4196373.1本設計所使用的面板 485693.2壓力傳感器模塊介紹 475463.2電壓方法和AD轉換模塊 5159353.4單片機處理器處理器 6211273.5設計中所使用的顯示模塊 6212744軟件部分 7300914.1編程開發(fā)軟件的介紹 7195604.2整體系統(tǒng)的流程圖 7197654.3程序設計思路 8150635系統(tǒng)組裝與調(diào)試 10249005.1系統(tǒng)的供電電路設計 1086235.2整體系統(tǒng)設計 10725.3數(shù)模轉換模塊的設計 1151525.4系統(tǒng)調(diào)試 12235856結束語 12560參考文獻 1315296附錄 13摘要：本文研究的內(nèi)容是基于51單片機的智能體重秤。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，人們對自己的體重變得更加關注，若有一臺好的體重秤，每天測量體重變化已經(jīng)變的很有必要。傳統(tǒng)體重秤采用儀表設計，不僅僅測量時的誤差較大，而且還存在讀數(shù)不方便，而且體積也比較大，不易攜帶，為此，本設計采用STC公司的89C52RC作為MCU，設計了一款簡易的體重秤。電路中使用的硬件有單片機最小系統(tǒng)、LCD1602液晶顯示模塊、HX711模數(shù)轉換放大模塊、壓變傳感器，通過電路設計與仿真測試，完成原理圖設計，硬件搭建，代碼編寫，最終達到使用要求。本文說所設計的體重秤是一款便攜、易操作、測量精度較高的體重秤。關鍵詞：STC89C52單片機，體重秤，傳感器，AD轉換模塊1緒論隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，電子行業(yè)的進步，以及集成電路等處理芯片的發(fā)展，給傳統(tǒng)的測量測繪技術帶來了新的方向，電子測量時代。對于電子秤行業(yè)來說，更是產(chǎn)生了革命性的影響。電子秤在我們生活中有很多應用，交易時的稱重，體重的測量等，已經(jīng)在各個行業(yè)表現(xiàn)出極高的不可缺少性。電子秤的水平?jīng)Q定了一個企業(yè)，甚至是一個國家的科技標準。從之前的磅秤、桿秤、臺秤等器具向電子化發(fā)展，電子秤可以直觀的看出物體的重量，操作簡便。電子體重秤更是取代了市面上常見的指針型體重秤，本次設計就是在電子秤的基礎上，通過改良和優(yōu)化電路，減少成本，從而達到測量體重的目的。1.1設計研究的綜述電子體重秤是一種新型的體重衡器，可分為家用小型體重秤，精密電子體重秤。電子體重秤相對于傳統(tǒng)的體重秤，具有測量精度變得更高，體積變的更小，在外觀上更加的美觀，結構也變得更簡單。在各個方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的體重秤，特點更加鮮明?？稍诟鞣N各樣環(huán)境工作，重量信號可遠傳，也可直接顯示，可以通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將信息傳遞到云端，手機APP讀取云端的數(shù)據(jù)，通過APP計算出身體的各項指標，實現(xiàn)對自己身體的了解。電子秤的發(fā)展可以概括為傳統(tǒng)的機械天平式衡器，機械物理形變測量，到如今的電子測量時代。電子秤的發(fā)展也決定了體重秤的發(fā)展，現(xiàn)階段體重秤正在向跟智能的方向發(fā)展。1.2設計研究的背景及意義設計一款電子體重秤由很重要的意義。隨著改革開放以來，人們從“吃得飽”向“吃的好”在轉變。大家在吃的時候更加關心食物的營養(yǎng)以及脂肪，而很對我們看不到的脂肪，就需要我們通過體重來判斷身體內(nèi)的體脂含量，來確保身體的健康程度。越來越多的年輕人開始減肥，每天都需要進行一次體重測量，這就要求測量的精確性要好。電子體重秤的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)測量體重的不精準，改變了傳統(tǒng)體重秤的笨重。設計一款精準的電子體重秤就能使人們對自身的重量得到了解，從而能更好的控制飲食?，F(xiàn)在電子產(chǎn)品越來也多，給人們的生活提供很多方便，體重秤作為電子秤的一個分支在人們的日常生活中扮演著越來越不可或缺的角色。體積變得更小，比傳統(tǒng)體重秤易操作，更易易讀數(shù)，測量精度比傳統(tǒng)體重秤高，耗電比傳統(tǒng)體重秤低的新型51單片機電子體重秤會更加受到大眾的關注。1.3體重秤的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 體重是人體健康的一個非常重要的指標，所以人們對于體重秤的要求也越來越高，從傳統(tǒng)的臺秤，磅秤到現(xiàn)在高精度，易操作便攜式體重秤，體重秤正隨著人們的要求而不斷自我更新?，F(xiàn)在生活中體重秤有非電子的指針式，還有電子LCD顯示的數(shù)碼顯示式。而現(xiàn)在，大多數(shù)體重秤正在向著全電子化發(fā)展，電子體重秤有著非常廣闊的前景。目前市面上電子秤正在向著更加精準，更加便攜，更加操作方便發(fā)展，而且還要保證電子秤的成本盡可能的低。 電子秤測量精準是首要條件，在測量精準的前提下，現(xiàn)在的體重秤在向著只能化發(fā)展，智能電子體重秤有很廣泛的發(fā)展前景。目前電子秤集成的功能有，測量體脂，測骨密度，測量身體水分等。隨著今后的發(fā)展，可以使用更多的傳感器測量血壓，身高等。再通過專用的APP進行身體參數(shù)分析，隨時關注自己身體健康。我國智能電子體重秤還沒有完全普及，可以猜想，未來中國智能電子體重秤的普及，會對中國國民身體素質(zhì)產(chǎn)生深刻的影響。2總體方案當要完成一個設計時，一個流程圖是第一步。把流程圖分為不同部分，如軟件、硬件，以及相互的結合功能。以下是整個流程及各模塊的應用分析。 設計一個體重秤，第一步需要制作一個面板，當人站在面板上稱重時，面板下方放置壓力傳感器，壓力傳感器中的壓變片將壓力信號轉換為電壓信號，電壓值的范圍在零伏到五伏之間，在經(jīng)過A/D轉換模塊，將信號轉化為數(shù)字信號，傳入89C52單片機中[1]。然后單片機內(nèi)部處理，計算，在 LCD液晶屏上顯示出來，精度要求在0.2KG以內(nèi)，并實時顯示體重數(shù)據(jù)，由此可以獲得一個測量系統(tǒng)，如下圖2.1所示：液晶顯示器處理器AD轉換電壓放大壓力傳感器液晶顯示器處理器AD轉換電壓放大壓力傳感器圖2.1單片機系統(tǒng)整體方案框圖3硬件部分體重秤的應用系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分組成，硬件是指單片機、顯示設備、測量設備等；軟件是驅(qū)動硬件工作的大腦。一個系統(tǒng)由硬件和軟件相互結合，協(xié)調(diào)一致才能形成完整的單片機系統(tǒng)。系統(tǒng)應該先設計硬件再設計軟件，根據(jù)硬件和功能編寫軟件程序，設計硬件的時候應該考慮軟件的可執(zhí)行性。本節(jié)詳細介紹了本設計中使用的硬件模塊，為什么選擇此模塊，該模塊的優(yōu)缺點，并在綜合方面對該硬件進行取舍。3.1本設計所使用的面板 面板再體重秤制作中必不可少，它是一個設計的主要骨架。當使用者站在面板上時，使重力轉變?yōu)閴毫ψ饔迷趬鹤兤?，將重力信號轉換成電壓值，才能得到所需的數(shù)據(jù)。因為胖人，瘦人體重相差大，所以電子體重秤面板需要的量程范圍應大一些?？紤]到大多數(shù)人的體重分布，最終將范圍定到150KG。而這就要求面板可以承受更大壓力而不損壞。為了使面板的承受能力增強，查閱資料后發(fā)現(xiàn)，增大接觸面積可以降低對面板的相對壓力，因此在制作過程中，盡可能的去增加傳感器與面板的接觸面積。相對于市面上流行的亞克力板，我選擇木板座位此次體重秤的面板，并且木板價格相對于亞克力板來說更加低廉，也節(jié)約了成本?？紤]到木板要承受150KG的重力，所以木板的厚度應該偏厚一點。經(jīng)過反復對比，我最終選擇了1CM厚的三合板，它能滿足本實驗的全部要求。3.2壓力傳感器模塊介紹 體重秤傳感器必須滿足量程在159KG內(nèi)，并且精度不能太低。對于某些體重輕的人，如兒童和小孩，他們的體重只有十幾千克甚至不足十千克，而有些胖人，他們的體重甚至達到100KG以上。這就要求傳感器輸出電壓的分辨率在1MV，而且要求傳感器具有良好的線性變化度，遲滯性和蠕動性良好[2]。經(jīng)過對傳統(tǒng)傳感器的比較，我選擇了YZC-161E型號壓變傳感器，單只量程50KG，四只通過橋接可達200KG的量程，一般為了防止朝中損壞，設置為150KG的量程，基本滿足本設計要求。除此之外，傳感器應該滿足靈敏度飄逸足夠小，也就是隨著外界溫度變化，傳感器輸出電壓不會相差太大。本次傳感器各項技術指標如下表3.1所示，均滿足項目要求。表3.1傳感器技術指標名稱 參數(shù)量程 50KG輸出靈敏度 1.0±0.1MV/V非線性 0.08%重復性 0.05%遲滯 0.1%溫度靈敏度飄逸 0.02%.f.s/℃零點平衡 ±1.0MV/V3.2電壓方法和AD轉換模塊 電壓信號被壓變傳感器將壓力信號轉換，改變不同重量會對傳感器輸出電壓產(chǎn)生變化，但是這個電壓變化很小，就需要進行電壓放大，電壓放大范圍在一個確定的范圍內(nèi)，如果放大的倍數(shù)不夠，那么對體重的精度會有影響，并且回影響芯片的AD轉換，放大電壓過大還會使元器件燒壞。 本設計選用HX711放大轉換模塊，此模塊可用兩路選擇差分輸入，芯片內(nèi)部含有可以進行編寫程序的放大器，模塊內(nèi)包含穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路可以向外部設備供電，芯片內(nèi)包含時鐘震蕩源，不需要進行外接晶振。該模塊在上電之后，可自行恢復原來的電路狀態(tài)，并且該模塊通過數(shù)字控制。該模塊還支持串口通訊[3]；該模塊出廠時已將所有芯片內(nèi)部程序燒錄進芯片，后續(xù)無需再編程。同步抑制50hz和60hz電源干擾，該模塊滿足本設計所有要求，因此選擇此模塊。該模塊具體管腳如圖3.2所示。圖3.2AD模塊引腳圖3.4單片機處理器處理器 現(xiàn)在市場上可選擇的處理器有很多種，比如STC公司的89C51系列，ST公司的STM32系列單片機，Arduino單片機，TI公司的MSP430單片機。各種各樣的單片機種類繁多，五花八門。經(jīng)過比較和篩選，最終我選擇STC公司的89C52RC這款單片機，51單片機是一款常用的低功耗型高性能的微控制器，此款單片機是8位數(shù)據(jù)存儲，片內(nèi)有8K可編程FLASH存儲器，采用MCS-51內(nèi)核，可兼容51單片機程序[4]。此款單片機還具有32位I/O接口，看門狗，定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復位電路，最高工作頻率35MHZ[5]。本設計使用的89C52采用了PDIP-40封裝，工作溫度范圍為-40~+85攝氏度，滿足本設計所有要求，并且STC89C 52可降至0hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式，所以采用此款單片機，該單片機的引腳圖如圖3.3所示[6][7][8]。圖3.351單片機引腳圖3.5設計中所使用的顯示模塊 本設計可選用的顯示器模塊有很多，如0,96寸OLED屏幕，串口屏，TFT屏幕，LCD1602等?？紤]到體重秤數(shù)值變化需要低延時，而OLED顯示屏雖然顯示效果好，但是還有一定延時，所以排除此顯示屏。而串口屏接線簡單，顯示延遲低，且顯示效果好，但市面上串口屏價格偏貴，不適合本次設計，而TFT屏幕價格合適，但是接線及程序編寫存在難度，穩(wěn)定性不好，最終選擇LCD1602屏幕，該程序是專門顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣顯示模塊。此模塊工作溫度在-20攝氏度到70攝氏度，各項參數(shù)均達到設計要求，所以選擇此模塊。4軟件部分4.1編程開發(fā)軟件的介紹 KeilforC51是51系列單片機開發(fā)所使用的編程軟件。在51單片機開發(fā)中，我們使用的語言是C語言，該語言在20年計算機語言排行榜中，長期穩(wěn)居前二名，是最常用的計算機開發(fā)語言。Keil軟件支持各種系統(tǒng)，包括WIN2000，WIN7，WIN8，WIN10等的各種系統(tǒng)[10][11]。從軟件發(fā)布至今，已經(jīng)發(fā)布了第五代Keil軟件，界面變得更加美化?？梢栽贙eil軟件中對所寫的程序進行單步調(diào)試，可以看出程序邏輯中的錯誤，極大的減少了調(diào)試硬件的時間。Keil將人們寫的C語言代碼轉變成單片機所能識別的匯編語言代碼，再通過STC-ISP軟件將代碼燒寫到單片機中。4.2整體系統(tǒng)的流程圖 本設計采用STC89C52單片機來處理數(shù)據(jù)，首先必須安裝單片機開發(fā)工具，89c52單片機使用的是KeilC51版本，在電腦上安裝軟件后建立工程文件，然后添加.C空白程序，開始編寫代碼。本設計主要編寫數(shù)據(jù)采集和AD放大芯片的驅(qū)動程序，即編寫HX711模塊的驅(qū)動程序，通過對原始數(shù)據(jù)的采集、剔除、求平均值，手動調(diào)整偏差值，然后在89C52單片機中進行處理，最后編寫LCD顯示屏的驅(qū)動程序，并在LCD顯示屏上顯示剛處理過的數(shù)據(jù)。在主函數(shù)中，對各個模塊進行初始化，然后進行一個死循環(huán)，一直測量并顯示體重秤數(shù)值，將他們綜合起來會成為一個系統(tǒng)，下圖4.1是軟件系統(tǒng)的流程圖。初始化各個模塊初始化各個模塊HX711數(shù)據(jù)HX711數(shù)據(jù)采集89C52數(shù)據(jù)分析89C52數(shù)據(jù)分析獲得體重數(shù)據(jù)獲得體重數(shù)據(jù)是是超重報警是否超重超重報警是否超重否否LCD液晶LCD液晶顯示圖4.1程序流程框圖4.3程序設計思路4.3.1顯示屏程序設計 字符型液晶顯示模塊是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，使用該控制芯片所寫的控制程序可以移植到大部分其他型號字符液晶模塊上使用。顯示模塊外接有14個引腳或者接有16個引腳，多出來的兩條線是背光電源線VCC和底線GNG，其控制原理與14腳的完全一樣，定義如下圖4.2所示[12]。圖4.21602顯示屏引腳圖LCD通過初始化，再進行調(diào)用顯示函數(shù)，就會在顯示屏上顯示對應的數(shù)字或字符。4.3.2主控單片機程序設計 單片機相當于整個系統(tǒng)的大腦，單片機的程序格外關鍵。單片機首先需要進行LCD1602的初始化，然后獲得毛皮重量，這個重量是面板上的所有東西及面板作用到傳感器的力，需要把這個重量剔除，然后才可以稱重。然后建立一個死循環(huán)，在死循環(huán)中一直讀取傳感器發(fā)送過來的值，如果傳感器發(fā)送失敗，那么會在LCD1602上顯示error字樣。如果接收正確，那么會對數(shù)據(jù)進行求平均值的操作，連續(xù)5次數(shù)的平均值會被看作有效值，有效值會顯示在LCD屏幕上。5系統(tǒng)組裝與調(diào)試5.1系統(tǒng)的供電電路設計在整個設計系統(tǒng)中，51單片機的輸入電壓為3.3-5v，模塊使用的電壓為5v?？紤]到整個系統(tǒng)中沒有大功率的元器件，所以可以將所有5V供電接到同一電源上。本設計采用充電寶所轉化出的5V電壓，將充電寶轉化的電壓通過DC線連接到單片機上，單片機底板上有一開關，還可單獨控制開關來操作整個系統(tǒng)的電源，開關上接了一個指示燈，該指示燈可以反應整個系統(tǒng)是否在工作[13][14]。該系統(tǒng)電源電路設計如圖5.1所示。 圖5.1電源電路圖5.2整體系統(tǒng)設計 要使單片機工作起來，必須要搭建單片機的最小系統(tǒng)，51單片機最小系統(tǒng)包括單片機芯片，和RES連接的復位電路，和XTAL1,XYAL2連接的晶振電路，51單片機最小系統(tǒng)如下圖5.2所示。晶振電路：本系統(tǒng)采用單片機內(nèi)部方式產(chǎn)生時鐘信號，然后對時鐘信號進行12分頻，作為單片機的機器周期。晶振電路接線到51單片機上的2個晶振專用引腳上，這兩個引腳通過晶振電路取得時鐘信號，晶振電路由晶振和兩個電容組成，形成一個自激振蕩器。復位電路：復位電路的功能是在單片機啟動過程中，確保單片機的起始狀態(tài)是復位狀態(tài)，在單片機運行過程中，如果想回到初始狀態(tài)，可以直接按復位電路上的按鈕來復位。圖5.2復位和晶振電路圖5.3數(shù)模轉換模塊的設計在傳統(tǒng)電子秤中只對一個應變片測量其模擬電壓值即可，但是體重秤使用了四個壓力傳感器，我們需要對四個壓力傳感器輸出的電壓進行合并。電路中最常用的方法就是將四個電路通過橋接在一起，再通過測量對端的電壓來確定四個應變片感受到的壓力。電阻型的壓變片是通過將不可測的壓力轉換為可以測量的電壓，一般這個電壓都很小，重量發(fā)生改變時，電壓變化的更微小，所以需要放大電路對電壓進行放大。圖5.3是體重秤所使用的電橋電路，是供電輸入：RdRdRaRcRbResBridgeEin圖5.3橋型電路圖5.4系統(tǒng)調(diào)試本文已完成基于單片機的壓力檢測的整體設計?，F(xiàn)將就已設計好的系統(tǒng)進行系統(tǒng)調(diào)試。使用STC-ISP下載燒錄軟件，將Keil生成的HEX文件燒錄到單片機上，在程序下載到單片機后，要對整個硬件電路做調(diào)試。首先拿出20KG的物品，放置到系統(tǒng)上查看讀數(shù)，經(jīng)過調(diào)整程序中的偏差值，使得顯示重量與物體本身重量相同。再經(jīng)過40KG，60KG，80KG重物的測試，得到適合所有量程的偏差值，修改程序，再燒錄到單片機上，系統(tǒng)調(diào)試完成。6結束語本文研究的內(nèi)容是基于51單片機的智能體重秤。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，年輕人對自己的體重變得更加關注，因此一臺好的體重秤來每天關注自己的體重變化已經(jīng)變的很有必要。傳統(tǒng)體重秤采用儀表設計，不僅僅測量時的誤差較大，而且還存在讀數(shù)不方便，而且體積也比較大，不易攜帶，因此本需要一款便攜、易操作、測量精度高的體重秤。本設計采用STC公司的89C52RC作為MCU，設計了一款簡易的體重秤