数字身高体重测量仪设计方案1Word文档格式.docx
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(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
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)
90
7
3
100
)
nV/℃ppm/℃dB
电源干扰抑制比
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
AVDD,VSUP
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
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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