畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）智能型身高體重儀的研制

1、1 智能型身高體重儀的概述身高體重儀，早已被廣泛用于家庭和平常的生活中，使人們對(duì)自己的身體狀況有更好的掌握，更好的提高人們對(duì)健康的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)的身高體重儀器一般為機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種儀器需要人工操作，不能顯示，數(shù)據(jù)需要通過(guò)指針和刻度盤(pán)來(lái)讀取，這種儀器用起來(lái)很不方便，而且它的誤差也比較大，有儀器自身誤差，也存在人為的在讀取時(shí)所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差等。近年來(lái)，市面上也大量流行著能測(cè)人體身高和體重的電子人體稱，它能自動(dòng)測(cè)量出人的身高體重值，并配有打印機(jī)輸出和語(yǔ)音播放電路，在很大程度上提高了人體身高體重測(cè)量的準(zhǔn)確性，也豐富了測(cè)量的趣味性。一般來(lái)說(shuō)這種身高體重儀，操作簡(jiǎn)單，由人啟動(dòng)后測(cè)重、測(cè)高、顯示、打印、語(yǔ)音播放等

2、功能都可以自動(dòng)完成的，但是這種儀器也存在某些方面的不足：體積大，移動(dòng)起來(lái)不方便；測(cè)高功能是通過(guò)測(cè)高平桿帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤(pán)孔用光電讀取頭把測(cè)高脈沖傳給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到被測(cè)者的身高值，這種儀器需要電機(jī)來(lái)帶動(dòng)測(cè)高平桿移動(dòng)，為接觸型測(cè)量，并且測(cè)量速度不快；同時(shí)還需要人工來(lái)操作。智能型身高體重儀，顧名思義，就是整個(gè)測(cè)量身高和體重的過(guò)程都是自動(dòng)完成的。同時(shí)，它又具備了傳統(tǒng)身高體重儀所不具備的優(yōu)點(diǎn)和亮點(diǎn)：小巧玲瓏，移動(dòng)方便；測(cè)量速度快、準(zhǔn)確，并且為非接觸型儀器；而且它功耗低，且無(wú)需人工操作，是一種完全的智能自動(dòng)化儀器。這種儀器在使用時(shí)，即進(jìn)行身高體重測(cè)量時(shí)，只要被測(cè)者站在儀器上所示的位置，本儀器就會(huì)

3、自動(dòng)的進(jìn)行身高與體重的測(cè)量，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行直觀的數(shù)字顯示和語(yǔ)音播放。對(duì)于本儀器來(lái)說(shuō)，整個(gè)工作過(guò)程就是：通電開(kāi)機(jī)，在無(wú)人測(cè)量狀態(tài)下顯示時(shí)鐘日歷，同時(shí)檢測(cè)是否有人要進(jìn)行測(cè)量；如有，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)量身高和體重的電路進(jìn)行測(cè)量。具體的測(cè)量過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)超聲波測(cè)高發(fā)射電路等待超聲波反射回來(lái)并計(jì)算出時(shí)間差由溫度傳感器測(cè)出溫度并對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算出身高值并送入控制系統(tǒng)從稱重傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)放大并a/d轉(zhuǎn)換后的體重值送入控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)算出結(jié)果最后為顯示和播放所測(cè)得的身高體重值并打印出結(jié)果結(jié)束。整個(gè)測(cè)量身高和體重的過(guò)程，不必由人工操作即可全部自動(dòng)完成?？梢?jiàn)，對(duì)智能型身高體重儀的研制還是有很積極的意義的。2 方

4、案論證按照本設(shè)計(jì)功能的要求，系統(tǒng)由9個(gè)部分組成：控制器部分、體重測(cè)量部分、身高測(cè)量部分、時(shí)鐘日歷部分、數(shù)據(jù)顯示部分、語(yǔ)音處理部分、打印控制部分、擴(kuò)展i/o部分和電路電源部分，智能身高體重儀的總體電路結(jié)構(gòu)圖2-1所示：控 制 器部 分體重測(cè)量部分身高測(cè)量部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示部分語(yǔ)音處理部分時(shí)鐘日歷部分打印控制部分?jǐn)U 展i/o部 分圖2-1 智能身高體重儀的總體電路結(jié)構(gòu)圖2.1 控制器部分方案論證本系統(tǒng)控制器部分的可選擇的方案有以下兩種：方案一、采用大規(guī)模可編程邏輯器件來(lái)進(jìn)行控制；采用本方案，會(huì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜。又因?yàn)橄到y(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)碼顯示、語(yǔ)音播放和打印控制，所以不宜采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?cpl

5、d、fpga)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇笠?guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機(jī)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即所解決的問(wèn)題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，用本方案難度較大。方案二、采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制以單片機(jī)為主體的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”。這種新型的智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。所以本系統(tǒng)采用本方案，即基于51系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，又因?yàn)橄到y(tǒng)沒(méi)有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，再考慮到本設(shè)計(jì)中程序部分比較大，所以我們最終選擇了at89c52這個(gè)比較常用的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。at89c52內(nèi)部帶有8kb

6、的程序存儲(chǔ)器，基本上已經(jīng)能夠滿足我們的需要；有四個(gè)i/o口，不能滿足本設(shè)計(jì)中功能的要求，所以我們用它的p0口和8255進(jìn)行了擴(kuò)展。2.2 體重測(cè)量部分方案論證體重測(cè)量部分是由傳感器將站在測(cè)量臺(tái)上的被測(cè)者的體重轉(zhuǎn)變?yōu)榻凭€性的電壓輸出，這個(gè)微小的電壓是毫伏級(jí)的，它不能滿足a/d轉(zhuǎn)換器的輸入需求，所以要對(duì)這個(gè)微小的輸出電壓進(jìn)行信號(hào)的前級(jí)處理即濾波和放大后，才能滿足a/d轉(zhuǎn)換所需的電壓幅度，經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量，由單片機(jī)at89c52進(jìn)行運(yùn)算處理。至于如何運(yùn)算才能使處理后的結(jié)果對(duì)應(yīng)被測(cè)者的真實(shí)的體重，這主要是由a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率和稱重傳感器的量程所決定的，結(jié)果的運(yùn)算

7、主要由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.2.1 傳感器的方案論證傳感器在電子衡器中的核心部件，也是本儀器中性能價(jià)格比的基本決定因素，所以傳感器的選擇具有著重要的意義。測(cè)重的傳感器我們可以用壓力傳感器，也可以用稱重傳感器?？紤]到稱重傳感器集材料、工藝技術(shù)、加工測(cè)試技術(shù)及微電子技術(shù)于一體，技術(shù)含量比較高，屬高科技產(chǎn)品，其幾十年的發(fā)展也使其在原理、材料、電子測(cè)量技術(shù)等方面都已趨向成熟，又考慮到一般電子衡器大多都是采用稱重傳感器，所以體重測(cè)量部分中我們也選擇了稱重傳感器。又考慮到人的體重一般都在0120kg以內(nèi)，再根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，重量誤差應(yīng)控制在0.15kg，又考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所

8、以我們確定傳感器量程為150kg。最終方案我們選擇的是上海開(kāi)沐自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的na-th150型稱重傳感器，量程150kg，允許過(guò)載為150%f.s。它可以滿足本系統(tǒng)的精度要求、量程要求以及價(jià)格等要求。2.2.2 前級(jí)處理電路部分方案論證稱重傳感器存在著橋壓的紋波等一些干擾信號(hào)，再加上稱重傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏級(jí)，所以我們要對(duì)稱重傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，才能輸入a/d轉(zhuǎn)換器中。前級(jí)處理電路部分，我們考慮可以采用以下幾種方案：方案一、利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成前級(jí)處理電路；普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級(jí)放大器會(huì)引入大量噪聲。由于a/d轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影

9、響最后的測(cè)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運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器，而構(gòu)成的前級(jí)處理電路；差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放(如op07)做成一個(gè)差動(dòng)放大器。其設(shè)計(jì)電路如圖2-2所示：電阻r1、r2電容c1、c2、c3、c4用于濾除前級(jí)的噪聲，c1、c2為普通小電容，可以濾除高頻干擾，c3、c4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。圖2-2 普通運(yùn)放所設(shè)計(jì)的差動(dòng)放大器電路優(yōu)點(diǎn)：輸入級(jí)串入跟隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級(jí)為差動(dòng)放大電路，滑動(dòng)變阻器r6可以調(diào)節(jié)輸出零點(diǎn)，最后一級(jí)可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級(jí)為反向放大器，所以輸出

10、電阻不是很大，基本上可以符合應(yīng)用的要求。缺點(diǎn)：此電路要求r3、r4相等，誤差將會(huì)影響輸出精度，難度較大。實(shí)際測(cè)量，每一級(jí)運(yùn)放都會(huì)引入較大噪聲。對(duì)精度影響較大。方案三：采用專用儀表放大器，如：ina126，ina121等構(gòu)成前級(jí)處理電路。此類芯片內(nèi)部采用差動(dòng)輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡(jiǎn)單。以ina126為例,其接口電路如圖2-3所示： 圖2-3 ina126接口電路放大器增益，通過(guò)改變的大小來(lái)改變放大器的增益?；谝陨戏治?，我們決定采用由制作方便而且精度很好的專用儀表放大器ina126來(lái)完成前級(jí)處理電路的設(shè)計(jì)。 2.2.3 a/d轉(zhuǎn)換電路部分方案論證考慮

11、到對(duì)體重的測(cè)量，精度要求不是很苛刻，而10位a/d轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在精度范圍之內(nèi)。10位a/d精度：150kg/1024=0.146kg，這樣的精度可以滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的要求,所以我們選擇10位或者精度更高的a/d。我們考慮用以下方案：方案一、逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，如：ads7805、ads7804等。逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高，功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型a/d轉(zhuǎn)換器件。高精度逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準(zhǔn)源和內(nèi)部時(shí)鐘，基于at89c52構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)僅需要外接幾個(gè)電阻、電容。但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號(hào)為一慢變信號(hào)，逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點(diǎn)

12、不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求，10位ad足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費(fèi)了系統(tǒng)資源。所以此方案并不是理想的選擇。方案二、雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器：如：icl7135、icl7109、icl1549等。雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢(如：icl7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于），可自動(dòng)調(diào)零，超量程信號(hào)，全部輸出于ttl電平兼容。雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)正負(fù)對(duì)稱的工頻干擾信號(hào)積分為零，所以對(duì)50hz的工頻干擾抑制能力較強(qiáng)，對(duì)高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對(duì)輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對(duì)本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號(hào)

13、，很容易受到工頻信號(hào)的影響。故而采用雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器可大大降低對(duì)濾波電路的要求。作為測(cè)量體重的儀器，系統(tǒng)對(duì)a/d的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上10位的ad足以滿足要求。另外雙積分型a/d轉(zhuǎn)換器具有較強(qiáng)的抗干擾能力、精確的差分輸入以及低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)我們又考慮到串行輸入/輸出的a/d轉(zhuǎn)換芯片具有接線簡(jiǎn)單，功耗低，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，綜合的分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，我們最終選擇了icl1549。2.3 身高測(cè)量部分方案論證身高測(cè)量有我們可以采用以下的方案：方案一、利用標(biāo)尺和刻度來(lái)測(cè)量身高；這個(gè)方案與我們所設(shè)計(jì)的智能化儀器原則相違背，所以我們舍棄此方案。方案二、采用電子儀器控制測(cè)高平桿接觸人體來(lái)自動(dòng)完成

14、身高的測(cè)量；此方案中身高的測(cè)量是用測(cè)高平桿自動(dòng)帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤(pán)孔用光電讀取頭把測(cè)高脈沖傳給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到被測(cè)者的身高值。這種方案測(cè)量速度慢，而且直接導(dǎo)致測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積龐大，也體現(xiàn)不出我們所說(shuō)的智能化，所以我們也不采用本方案。方案三、采用超聲波傳感器或光柵傳感器等來(lái)完成無(wú)接觸的身高測(cè)量。身高測(cè)量中是體現(xiàn)我們智能儀器的一個(gè)重要的方面，所以在方案的選擇上我們應(yīng)舍棄一些傳統(tǒng)的方案；又由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離遠(yuǎn)，經(jīng)常用于距離的測(cè)量；再加上利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，測(cè)量速度快，計(jì)算處理出比較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到日常使用的要求；所以我們本設(shè)

15、計(jì)中采用超聲波傳感器來(lái)進(jìn)行身高的測(cè)量。2.4 時(shí)鐘日歷部分方案論證時(shí)鐘日歷部分我們可采用以下兩種方案：方案一、采用并行接口的時(shí)鐘日歷芯片；并行芯片我們常用的是ds12c877，它解決了k2k問(wèn)題，內(nèi)部還具有114個(gè)ram可供系統(tǒng)在掉電后存儲(chǔ)系數(shù)等數(shù)據(jù)；它的連接是與ram使用同一個(gè)插座，需要8根數(shù)據(jù)地址線。方案二、采用串行接口的時(shí)鐘日歷芯片。串行芯片我們常用的是ds1302，它計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，可對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、年、月以及帶閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行補(bǔ)償。它有自己的振蕩電路，它只需要3根數(shù)據(jù)線和單片機(jī)通訊，接線簡(jiǎn)單方便，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)還有對(duì)后備電源自動(dòng)充電功能，在掉電時(shí)，可以繼續(xù)計(jì)時(shí)?？紤]到本設(shè)計(jì)中對(duì)時(shí)鐘日歷

16、部分不是必要的部分，只是作為功能擴(kuò)展部分，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇性比較大，但是考慮到價(jià)格和接線等因素，在本設(shè)計(jì)中我們選用了本方案中的這種高性能、低功耗、帶ram的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片ds1302。2.5 數(shù)據(jù)顯示部分方案論證數(shù)據(jù)顯示部分我們可以采用以下的方案：方案一、采用lcd液晶顯示；方案二、采用led數(shù)碼管顯示?？紤]到本設(shè)計(jì)中的需要顯示的數(shù)據(jù)分為兩部分，初始時(shí)為日歷和時(shí)鐘部分，待測(cè)量結(jié)束后，顯示為身高和體重的值，這兩個(gè)部分都只是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而且都只需要8位（月、日、時(shí)、分各2位；身高4位，體重4位）就可以滿足要求，考慮到lcd比led的價(jià)格工作電壓等因素，再加上在本設(shè)計(jì)中我們對(duì)顯示部分沒(méi)有太高的要求，

17、所以本設(shè)計(jì)中的顯示部分采用方案二即用普通的8位共陰極7段數(shù)字型led，分時(shí)顯示。在共陰極7段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題上，我們選擇了max7219，max7219是集成的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，這種接口微處理可驅(qū)動(dòng)8位7段數(shù)字型led或條形圖顯示器或64只獨(dú)立led。max7219內(nèi)置有bcd譯碼器、亮度控制寄存器、多路掃描電路、段及數(shù)字驅(qū)動(dòng)器和用于存儲(chǔ)每一位的88靜態(tài)ram，對(duì)所有的8個(gè)led來(lái)說(shuō)，只需要外接一個(gè)電阻就能控制段電流的大小。2.6 語(yǔ)音播放部分方案論證 語(yǔ)音播放部分可以采用以下方案：方案一、采用只能播放語(yǔ)音的芯片；這種芯片為放音芯片，它的數(shù)據(jù)大多放在單片機(jī)的內(nèi)存單元中，使用起來(lái)相

18、當(dāng)不便，而且增加了軟件設(shè)計(jì)時(shí)的復(fù)雜程度，同時(shí)用這種芯片修改起來(lái)也相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，所以我們不用此方案。方案二、采用語(yǔ)音錄放芯片。例如isd1400系列單片機(jī)語(yǔ)音錄放芯片，這種芯片大多由時(shí)鐘振蕩器、內(nèi)部存儲(chǔ)器、微音放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗干擾濾波器、差動(dòng)功率放大器等高品質(zhì)語(yǔ)音錄放電路所構(gòu)成?？紤]到本部分只用于給用戶提供一些操作提示和報(bào)告測(cè)量結(jié)果。根據(jù)系統(tǒng)的要求，我們采用美國(guó)信息存貯器件公司isd1400系列中的isd1420，它采用在e2prom中直接模擬量存貯技術(shù)（das），省去數(shù)字存貯器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及備用電電源等外圍電路，具有低功耗、零功率存貯信息、無(wú)需編輯開(kāi)發(fā)機(jī)、高保真語(yǔ)音錄放等特點(diǎn)。2.7

19、打印控制部分方案論證打印機(jī)可供我們選擇的方案有以下幾種：方案一、采用高檔型的打印機(jī)；這種打印機(jī)功能齊全，打印速度快，但體積較大，價(jià)格昂貴，又考慮到在本設(shè)計(jì)中我們對(duì)打印的功能無(wú)如此高的要求，所以我們不用此方案。方案二、采用微型的針式打印機(jī)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求和系統(tǒng)的功能要求，又考慮到我們打印的只是一般的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和一般的字符，所以點(diǎn)陣式打印機(jī)就可以滿足我們的要求；再加上價(jià)格體積等方面的因素，我們決定采用本方案，微型打印機(jī)型號(hào)我們選擇的是tpp-40a。2.8 擴(kuò)展i/o部分方案論證由于本系統(tǒng)外圍器件較多，要想滿足本設(shè)計(jì)的要求，at89c52本身的i/o口是不夠用的，所以我們要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展的方案

20、有以下幾種：方案一、采用intel公司的8255（38位）進(jìn)行擴(kuò)展。方案二、采用intel公司的8155(28位6位)進(jìn)行擴(kuò)展。方案三、采用intel公司的8243(44位)進(jìn)行擴(kuò)展。方案四、采用silos公司的pio(2 8位)進(jìn)行擴(kuò)展等。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及考慮到各因素，我們通過(guò)單片機(jī)的p0口和8255進(jìn)行了擴(kuò)展，擴(kuò)展后8255的接口：pa口和pc口用來(lái)控制打印機(jī)，pb口用控制語(yǔ)音處理電路。2.9 電路電源部分本設(shè)計(jì)中除了超聲波發(fā)射電路中的555定時(shí)器需要+12v電源外，其他的芯片大都是用+5v電源供電，所以我們?cè)谙到y(tǒng)中需要提供+12v和+5v的電源。在本設(shè)計(jì)中電源部分可以由兩個(gè)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

21、方案一、直接用直流穩(wěn)壓器輸出+12v和+5v直流電壓；方案二、通用的220v交流電壓通過(guò)變壓器變壓并整流后輸出+15v，并接至lm7812和lm7805的輸入端vin?？紤]到價(jià)格等各種因素，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們采用方案二。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 智能型身高體重儀的硬件設(shè)計(jì)概述本設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)完成：在開(kāi)機(jī)后，無(wú)人測(cè)量時(shí)，儀器顯示日期和時(shí)間，日期和時(shí)間數(shù)據(jù)由時(shí)鐘芯片ds1302提供，數(shù)據(jù)用max7219驅(qū)動(dòng)的8位7段led顯示；有人測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)量電路。測(cè)量過(guò)程中，由控制器發(fā)出控制命令，啟動(dòng)身高測(cè)量電路和體重測(cè)量電路；測(cè)量結(jié)束后，數(shù)據(jù)送入控制器at89c52，再由控制器at89c52把結(jié)果送入

22、顯示緩沖區(qū)，并刷新顯示部分，顯示身高和體重值，此時(shí) 8位led不再顯示日期和時(shí)間，而是用來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果；同時(shí)由控制器at89c52通過(guò)擴(kuò)展芯片8255送出數(shù)據(jù)命令來(lái)控制語(yǔ)音芯片isd1420，報(bào)告出身高體重值，并報(bào)告所計(jì)算出被測(cè)者體型情況；最后再由控制器at89c52通過(guò)8255送出數(shù)據(jù)/命令來(lái)對(duì)打印機(jī)tpp-40a進(jìn)行控制，打印出測(cè)量結(jié)果。本設(shè)計(jì)的控制核心即控制器部分我們采用的是atmel公司生產(chǎn)的89系列單片機(jī)中的at89c52，所有的控制命令和數(shù)據(jù)處理都由它來(lái)完成。測(cè)量身高部分通過(guò)超聲波傳感器發(fā)射電路和超聲波接收電路完成，并用at89c52中的定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)算出所用的時(shí)間，然后再根據(jù)

23、ds18b20測(cè)出的溫度，對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，然后由時(shí)間乘以聲速即可計(jì)算出超聲波探頭與被測(cè)者頭部的距離；由于超聲波傳感器的探頭離被測(cè)者腳底的距離是固定和已知的，所以兩個(gè)距離的差即為被測(cè)者的身高。測(cè)量體重部分通過(guò)稱重傳感器輸出的毫伏信號(hào)，經(jīng)過(guò)前向通道中的放大濾波，輸出到a/d轉(zhuǎn)換器icl1549的輸入端，經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)直接輸出到控制器at89c52，由單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算處理計(jì)算出結(jié)果。顯示、語(yǔ)音和打印部分，在設(shè)計(jì)中比較的具體化，在此我們不于敘述，我們將在本章的后面幾節(jié)中給予詳細(xì)說(shuō)明。3.2 控制單元設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)的核心即控制單元的設(shè)計(jì)只有一個(gè)at89c52單片機(jī)，又因?yàn)檫@種單片機(jī)在我們的日常

24、生活和學(xué)習(xí)工作中比較常用,所以我們?cè)诖司筒辉賳螁螌?duì)此單片機(jī)進(jìn)行性能的介紹。at89c52各管腳的分配和應(yīng)用可參考附錄2：智能型身高體重儀的總電路圖。3.3 測(cè)量身高電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中測(cè)量身高電路主要是通過(guò)超聲波測(cè)距電路實(shí)現(xiàn)的。超聲波測(cè)距電路主要包括：溫度檢測(cè)電路、超聲波發(fā)射及控制電路、超聲波接收電路、信息處理電路及其輔助電路組成。為降低調(diào)試的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)安裝的靈活性，超聲波發(fā)射與接收采用分離設(shè)計(jì)，即單獨(dú)采用發(fā)射器和接收器，而不是采用發(fā)射接收一體化器件。測(cè)高電路系統(tǒng)電源以+12v和+5v為主電源，它通過(guò)本設(shè)計(jì)中的電源電路實(shí)現(xiàn)，在此我們不予詳述。超聲波測(cè)距電路原理概述：所謂超聲波是指高于2000

25、hz的機(jī)械波，具有強(qiáng)度大、方向性好等特性。超聲波一般采用壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生。利用超聲波測(cè)量距離的原理可簡(jiǎn)單闡述為：超聲波定期發(fā)送超聲波，遭遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，發(fā)射波經(jīng)由接收器接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這樣只要測(cè)出發(fā)送和發(fā)射的時(shí)間差t，然后按式：s=c*t/2 （3-1）計(jì)算出距離，式中，c為超聲波在空氣中的傳播速度，0時(shí)為331m/s，25時(shí)為347m/s，其與環(huán)境溫度t（）的關(guān)系如下式表示：c=331.4+0.61*t （3-2）由此可見(jiàn)，聲速與溫度有密切關(guān)系。在應(yīng)用中，如果溫度變化不大，并且無(wú)特殊精度要求，可認(rèn)為聲速在空氣中是基本不變的。否則，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償通常有兩種方法：

26、補(bǔ)償方法1：每次先按照公式3-2計(jì)算當(dāng)時(shí)聲速，然后再按照公式3-1計(jì)算距離。特點(diǎn)是：根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度得到精確聲速，從而計(jì)算得到的距離值比較精確；但程序中牽涉到浮點(diǎn)計(jì)算，對(duì)于微處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，難度相對(duì)較大。但經(jīng)多次測(cè)試，用此方法最大誤差一般不超過(guò)1cm，其精度可以滿足本設(shè)計(jì)中的要求。補(bǔ)償方法2：根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境溫度，查取特征溫度值聲速表中最接近溫度對(duì)應(yīng)的聲速值，作為當(dāng)前聲速，然后按照公式3-1進(jìn)行距離計(jì)算。其特點(diǎn)是：避免了復(fù)雜的聲速計(jì)算，而且可事先計(jì)算，得到溫度聲速二維表，將之固化到系統(tǒng)程序中，然后直接使用查表法得到聲速值，程序?qū)崿F(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但其所得精度沒(méi)有方法1高。另外，由于超聲波測(cè)距電路利用的是

27、接收發(fā)射分離設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射與反射之間的夾角，其大小為2。當(dāng)較小時(shí)，可直接按式3-1進(jìn)行計(jì)算得到距離；當(dāng)較大時(shí)，則必須進(jìn)行距離修正，修正公式為式3-3： s=cos*c*t/2 （3-3）在公式3-3中，傾角與超聲波裝置和接收裝置的安裝位置有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，就應(yīng)該注意到適當(dāng)安裝。在本設(shè)計(jì)中，我們會(huì)努力使盡可能的小。3.3.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭（又稱“超聲波換能器”）的型號(hào)我們選用的是csb40t。可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。 前者利用軟件產(chǎn)生40khz的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸

28、入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，得需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為100ma 以上的驅(qū)動(dòng)電路。后者是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào)。這種方法的特點(diǎn)是無(wú)需驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。本測(cè)距儀采用的是硬件發(fā)生法。具體電路如圖3-1所示： 圖3-1 超聲波發(fā)射電路從圖3-1可知，40khz的超聲波信號(hào)是利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生的?；袷庮l率計(jì)算公式如下：f1.4(r9+2*r8)*c10) 將r8設(shè)計(jì)可調(diào)電阻的目的是為調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，使之與超聲波探頭的40khz固有頻率一致。為保證555時(shí)基具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力

29、，宜采用+12v電源。start為超聲波發(fā)射控制信號(hào)，由微處理器進(jìn)行控制。3.3.2 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，主要是頻率要一致，這里我們選用csb40r，否則因無(wú)法產(chǎn)生共振而影響接收效果、甚至無(wú)法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。正弦波信號(hào)不能直接被微處理器接收，因此必須進(jìn)行波形變換。按照概述部分所討論的原理，微處理器需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻，因此可采用比較電路將正弦波轉(zhuǎn)換為脈沖方波，由軟件查詢得到第一個(gè)回波前沿時(shí)刻。接收電路的設(shè)計(jì)可采用專用接收電路，例如l

30、m1808，也可以采用通用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波在空氣中傳播時(shí)，其能量的衰減程度與距離成正比，即距離越近，信號(hào)越強(qiáng)；距離越遠(yuǎn)，信號(hào)越弱，通常在1mv1v之間。當(dāng)然，不同的接收探頭的輸出信號(hào)強(qiáng)度存在差異。由于輸入信號(hào)的范圍較大，對(duì)放大電路的增益提出了兩個(gè)要求：1）放大增益要大，以適應(yīng)小信號(hào)時(shí)的需要；2）放大增益要能變化，以適應(yīng)信號(hào)變化范圍大的需要。另外，由于輸入信號(hào)為正弦波，因此必須將放大電路設(shè)計(jì)成交流放大電路。為減少負(fù)電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號(hào)放大和變換采用了一片lm324通用放大器，前三級(jí)為放大器設(shè)計(jì)，后一級(jí)為比較器設(shè)計(jì)。lm324既可以雙電源供電，也可以單電源工作，因此能滿足使用

31、要求。也可以選用其他放大運(yùn)算器，但必須注意其能否單電源工作，因?yàn)椴皇撬羞\(yùn)算放大器都能單電源使用的。為滿足交流信號(hào)的需要，每一級(jí)放大器均采用阻容電路進(jìn)行電平偏移，即圖3-2所示：圖3-2 超聲波接收電路圖中c9、c10、c11和c12，容量均為10f，實(shí)現(xiàn)單電源條件下交流信號(hào)的放大。對(duì)于交流信號(hào)而言，電容為短路，因此前三級(jí)放大電路的放大增益均為10。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，距離較近時(shí)，兩級(jí)放大時(shí)的增益已能輸出足夠強(qiáng)度的信號(hào)了，第三級(jí)有可能出現(xiàn)信號(hào)飽和，但距離較遠(yuǎn)時(shí)，兩級(jí)放大不能滿足，必須采用三級(jí)放大。為提高自適應(yīng)能力，可在上圖的基礎(chǔ)上，增設(shè)增益選擇電路。由軟件自動(dòng)完成增益切換，切換的原理是先進(jìn)行大增益搜

32、索回波，一旦發(fā)現(xiàn)回波，但后續(xù)無(wú)回波的情況，說(shuō)明增益過(guò)大，必須減少一級(jí)增益。當(dāng)然，軟件設(shè)計(jì)的難度會(huì)大大增加，而且這種軟件自適應(yīng)增益法只能適用于靜態(tài)測(cè)量，在動(dòng)態(tài)測(cè)量條件下，會(huì)導(dǎo)致距離測(cè)量誤差增大。其原因是第一回波不可能作為距離依據(jù)，采用的可能是第二回波或第三回波的前沿信號(hào)，存在時(shí)差問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)中由于所測(cè)的距離較近，所以為了避免信號(hào)的飽和，我們只用了兩級(jí)放大。合理調(diào)節(jié)電位器r24，選擇比較基準(zhǔn)電壓，可使測(cè)量更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。實(shí)踐證明，比較參考電壓的選取非常關(guān)鍵，它與測(cè)量靈敏度、系統(tǒng)魯棒性都有關(guān)聯(lián)。選小時(shí)可提高測(cè)量靈敏度，便魯棒性下降，容易出現(xiàn)虛假回波被捕捉的情況，選大時(shí)則情況相反。顯然，按照上圖的設(shè)

33、計(jì)，當(dāng)沒(méi)有回波信號(hào)或回波信號(hào)很弱（即超出測(cè)量范圍）時(shí)，比較器輸出high為高電平，反之。為低電平。3.3.3 基于ds18b20的溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)溫度測(cè)量電路是基于ds18b20的線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡(jiǎn)潔，具體電路如圖3-3所示：(1)ds18b20的功能介紹ds18b20溫度傳感器是美國(guó)dsllas半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比。它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。ds18b20的引腳判斷方法為：字面對(duì)人，從左到右分別是1（gnd）、2（輸入/輸出）、3（vdd）。圖3-3 溫度測(cè)量電路 在圖

34、中，電阻r3為上拉電阻，阻值可選為5k左右。表3-1 ds18b20分辨率的定義規(guī)定r1r0分辨率/位溫度最大值轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms00993.750110187.510113751112750 ds18b20分辨率的定義規(guī)定如表3-1所示。由表3-1可見(jiàn)，ds18b20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。(2)ds18b20的工作原理ds18b20的測(cè)溫原理如圖3-4所示：圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)算器1；圖中還隱含著計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，ds18b20就對(duì)溫度

35、系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定，每次測(cè)量前，首先將55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。斜率累加器預(yù)置低溫度系數(shù)振蕩器減法計(jì)數(shù)器1減到0計(jì)數(shù)比較器預(yù)置溫度寄存器高溫度系數(shù)振蕩器減法計(jì)數(shù)器2減到0圖3-4 ds18b20測(cè)溫原理圖減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振來(lái)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行送行計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入,減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)

36、,停止溫度寄存器值的累加,此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)得溫度值。另外，由于ds18b20單線通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)ds18b20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化ds18b20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)rom功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。(3) 溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算處理方法從ds18b20讀取出的二進(jìn)制必須先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，才能便于對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。因?yàn)閺膁s18b20精度為912位可選的，為了提高精度12位。在12位精度時(shí)，溫度寄存器里的值是以0.0625為步進(jìn)的，即溫度值為溫度寄存器里的二進(jìn)制值乘以0.0625，就是實(shí)際的十進(jìn)制溫度值。通過(guò)觀察可以

37、發(fā)現(xiàn)一個(gè)十進(jìn)制和二進(jìn)制值之間有很明顯的關(guān)系，就是把二進(jìn)制的高字節(jié)的低半字節(jié)和低字節(jié)的高半字節(jié)組成一個(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制值化為十進(jìn)制值后，就是溫度的百、十、個(gè)位值，而剩下的低字節(jié)的低半字節(jié)化成十進(jìn)制值后，就是溫度的小數(shù)部分。小數(shù)部分因數(shù)是半個(gè)字節(jié)，所以二進(jìn)制值范圍是0f，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制小數(shù)值就是0.0625的倍數(shù)（015倍）。實(shí)際應(yīng)用不必要求有這么高的精度，本系統(tǒng)中，精確到0.1，就能達(dá)到我們使用所需的精度。3.4 測(cè)量體重電路設(shè)計(jì)測(cè)量體重電路主要由稱重傳感器、前級(jí)處理電路和a/d轉(zhuǎn)換電路組成。被測(cè)量者站在測(cè)量臺(tái)上時(shí)，通過(guò)稱重傳感器作用輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)，因?yàn)閍/d轉(zhuǎn)換器的輸入一般要求為伏級(jí)電

38、壓信號(hào)，所以由稱重傳感器直接輸出的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)處理后，才能輸入進(jìn)a/d轉(zhuǎn)換器。前級(jí)處理電路主要是對(duì)稱重傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，使之能夠符合a/d轉(zhuǎn)換器的輸入要求。a/d轉(zhuǎn)換器主要是對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使輸出為數(shù)字信號(hào)，以使單片機(jī)可以直接的對(duì)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行處理。其測(cè)量電路如圖3-5所示：圖3-5 測(cè)量體重的設(shè)計(jì)電路3.4.1 稱重傳感器（1）稱重傳感器的技術(shù)指標(biāo)ns-th150稱重傳感器由組合式s型梁結(jié)構(gòu)及金屬箔式應(yīng)變計(jì)構(gòu)成，具有過(guò)載保護(hù)裝置。測(cè)量精度高、溫度特性好、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的動(dòng) 、靜態(tài)測(cè)量及各種電子稱的一次儀表。其形狀如圖3-6示:技術(shù)參數(shù)-單位-技術(shù)指標(biāo)

39、 : a) 額定載荷(kg):150 b) 額定輸出(mv/v): 1.5 c) 非線性(%f.s): 0.03 d) 滯后(%f.s): 0.03 e) 重復(fù)性(%f.s): 0.03 圖3-6 稱重傳感器的形狀f) 零點(diǎn)輸出(%f.s): 1 g) 零點(diǎn)溫度系數(shù)(%f.s/): 0.003 h) 絕緣電阻: 2000 mi) 供橋電壓: 10vdc j) 允許過(guò)載: 150 %f.sk) 可設(shè)計(jì)成05v或420ma信號(hào)輸出(2) 稱重傳感器的工作原理稱重傳感器原理如圖3-7所示，它主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠斯通電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由公式

40、（3-4）給出：圖3-7 稱重傳感器工作原理圖 （3-4）3.4.2 前級(jí)處理電路設(shè)計(jì)前級(jí)處理電路主要是從稱重傳感器輸出的信號(hào)先通過(guò)外圍電阻電容的濾波處理，然后輸入到ina126中，然后由其把體重信號(hào)進(jìn)行放大。ina126構(gòu)成的放大器及濾波電路如圖3-8所示：圖3-8 ina126構(gòu)成的放大器及濾波電路通過(guò)調(diào)節(jié)rg的阻值來(lái)改變放大倍數(shù)。微弱信號(hào)vi1和vi2被分別放大后從ina126的第6腳輸出。a/d轉(zhuǎn)換器icl1549的輸入電壓變化范圍是0v+5v，傳感器的輸出電壓信號(hào)在020mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在200300左右，可將rg接成的滑動(dòng)變阻器。本設(shè)計(jì)為使稱重傳感器對(duì)應(yīng)輸出為05v，

41、要求就把rg調(diào)為325左右。ina126是一種微功耗精密儀表放大器。通過(guò)兩個(gè)運(yùn)放的組合設(shè)計(jì)，使器件具有專長(zhǎng)極低的靜態(tài)電流和較寬的電源范圍。經(jīng)修正后的電路，具有很低的輸入失調(diào)、輸入漂移和極好的共模抑制比。其增益可通過(guò)一個(gè)外接電阻在510000范圍內(nèi)設(shè)置。3.4.3 a/d轉(zhuǎn)換器icl1549串行輸入/輸出的a/d轉(zhuǎn)換芯片由于具有接線簡(jiǎn)單，傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。(1)串行a/d轉(zhuǎn)換芯片icl1549的 介紹icl1549芯片主要有以下特點(diǎn)： 圖3-9 icl1549的引腳圖1)10位分辨率； 2)單一5v電源；3)低功耗，2ma運(yùn)行電流； 4)二線串行

42、接口，先轉(zhuǎn)換后輸出；5)片內(nèi)采樣保持電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間25s；6)8腳雙列直插封裝。如圖3-9所示是icl1549的芯片引腳圖，其中ain為模擬信號(hào)輸入端，ref+、ref-為參考電壓輸入端，di為數(shù)據(jù)輸出端，cs為片選端，clock為時(shí)鐘脈沖輸入端，gnd為接地，vcc接正電源，電壓范圍為05v0.25v。（2）icl1549的工作時(shí)序圖3-10為icl1549的工作時(shí)序，當(dāng)cs片先端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)di開(kāi)始輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位，并在外部時(shí)鐘clock每來(lái)一個(gè)上長(zhǎng)沿，di端輸出1 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共10位。當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)讀出后，在外部時(shí)鐘clock的下降沿又開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換，并且片內(nèi)采樣保持器由采

43、樣模式轉(zhuǎn)變?yōu)楸３帜Ｊ?，保持住模擬輸入信號(hào)。外部時(shí)鐘頻率可達(dá)2mhz。由以上分析可以看出，icl1549芯片的確是一種廉價(jià)、高速、接口簡(jiǎn)單且具有中等精度的a/d轉(zhuǎn)換器。圖3-10 icl1549的工作時(shí)序3.5 時(shí)鐘日歷電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘日歷電路我們是通過(guò)一種高性能、低功耗、帶ram的實(shí)時(shí)鐘芯片ds1302和兩個(gè)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)本部分功能。兩個(gè)按鍵接在單片機(jī)at89c52的p2口上，一個(gè)用來(lái)選擇調(diào)時(shí)部分，一個(gè)用來(lái)調(diào)時(shí)。其電路設(shè)計(jì)如3-11圖示：ds1302芯片中包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)ram，可實(shí)時(shí)的對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月以及閏年進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。內(nèi)部有31個(gè)字節(jié)的高速ram，可通過(guò)外部

44、可充電電池加電長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，并能慢速為電池充電。通過(guò)簡(jiǎn)單的3線串行方式接口，能在2.5v5.5v電源下可靠工作，在2.5v進(jìn)耗電小于300na。在主電源關(guān)閉的情況下，能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。采用ds1302芯片，可以做到計(jì)時(shí)準(zhǔn)確；更重要的是，并可編程選擇多種充電電流來(lái)對(duì)后備電源進(jìn)行慢速充電，可以保證后備電源基本不耗電。圖3-11 時(shí)鐘日歷電路設(shè)計(jì)圖3.5.1 ds1302的命令字節(jié)每一數(shù)據(jù)傳送前必先初始化。最高有效位msb(位7)必須為邏輯1。如果它是0，禁止寫(xiě)入ds1302。位6為邏輯0（clk），指定時(shí)鐘/日歷數(shù)據(jù)；位6為邏輯1，指定ram數(shù)據(jù)。位1位5（a0a4地址）指定進(jìn)行輸入或輸出的特

45、定寄存器。最低有效位lsb（位0）為邏輯0，指定進(jìn)行寫(xiě)操作（輸入）；為邏輯1，指定進(jìn)行讀操作（輸出）。命令字節(jié)總是從最低有效位lsb（位0）開(kāi)始輸入。其命令格式如下：msb65 4321lsb1ram/clka4a3a2a1a0rd/wr3.5.2 復(fù)位和時(shí)鐘控制通過(guò)把rst輸入驅(qū)動(dòng)至高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。rst輸入有兩種功能。首先，rst接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供了中止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送的手段。數(shù)據(jù)輸入時(shí)，在時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)必須有效，而數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘的下降沿輸出。如果rst輸入為低電平，那么所有的數(shù)據(jù)傳送中止且i/o引腳變?yōu)楦唠娖阶杩範(fàn)顟B(tài)。數(shù)據(jù)傳

46、送時(shí)序如圖3-12所示：上電時(shí)，在vcc2.5v之前，rst必須為邏輯0。此外，當(dāng)把rst驅(qū)動(dòng)至邏輯1的狀態(tài)時(shí)，sclk必須為邏輯0。3.5.3 數(shù)據(jù)的輸入與輸出跟隨在輸入寫(xiě)命令字節(jié)的8個(gè)sclk周期之后，在下8個(gè)sclk周期的下降沿輸出數(shù)據(jù)字節(jié)。如果有額外的sclk周期，它們將被忽略。數(shù)據(jù)從位0開(kāi)始輸入。跟隨在輸入讀命令字節(jié)的8個(gè)sclk周期之后，在下8個(gè)sclk周期的下降沿輸出數(shù)據(jù)字節(jié)。注意，被傳送的第一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生在命令字節(jié)寫(xiě)命令，它們將重新發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)。這一操作使之具有連續(xù)的多字節(jié)方式的讀能力。另外，在sclk的第一上升沿，i/o引腳為三態(tài)。數(shù)據(jù)從位0開(kāi)始輸出。3.5.4 多字節(jié)方式通過(guò)

47、對(duì)地址31（十進(jìn)制）尋址，可以把時(shí)鐘/日歷或ram寄存器規(guī)定為多字節(jié)方式。如前所述，位6規(guī)定時(shí)鐘或ram，而位0規(guī)定讀或?qū)?。在時(shí)鐘/日歷寄存器中的地址931或ram寄存器中的地址31不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在多字節(jié)方式中，讀或?qū)憦牡刂?的位0開(kāi)始。當(dāng)以多字節(jié)方式寫(xiě)時(shí)鐘寄存器時(shí)，必須按數(shù)據(jù)傳送的次序?qū)懽钕?個(gè)寄存器。但是，在當(dāng)以多字節(jié)，所寫(xiě)的每一個(gè)字節(jié)都將送至ram。數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序如圖3-12所示：3.6 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的顯示電路是通過(guò)led顯示驅(qū)動(dòng)器max7219驅(qū)動(dòng)8位共陰極7段led來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體電路如圖3-13所示：max7219內(nèi)有150a的低功耗掉電模式和多種數(shù)控電路，提供有顯示位數(shù)

48、（1位8位）可選擇的掃描界線寄存器，允許用戶為每一位選擇bcd譯碼或不譯碼控制電路。圖3-13 顯示設(shè)計(jì)電路max7219可廣泛應(yīng)用于條形圖顯示、7段碼顯示、工業(yè)控制面板、儀表控制面板和led模型顯示等領(lǐng)域。max7219的串行數(shù)據(jù)格式如表3-2所示：表3-2 max7219的串行數(shù)據(jù)格式（16位）d15，d14，d13，d12d11，d10，d9，d8d7，d6，d5，d4，d3，d2，d1，d0任意值（0或1）地址數(shù)據(jù)3.7 i/o擴(kuò)展電路、打印電路和語(yǔ)音處理電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中由于外圍器件比較多，所以就單片機(jī)at89c52本身的i/o口不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，所以我們通過(guò)at89c52的p0

49、口和8255進(jìn)行了i/o口的擴(kuò)展，擴(kuò)展的i/o用來(lái)接打印機(jī)和語(yǔ)音處理電路。具體設(shè)計(jì)如圖3-14所示：如圖3-14中所示，8255的d0d7與at89c52的p0口相連，8255的讀寫(xiě)控制信號(hào)線rd、wr和復(fù)位信號(hào)線reset與at89c52的各對(duì)應(yīng)引腳相接，8255的端口選擇線a1、a0和片選信號(hào)線cs接到at89c52的p2口，8255的reset引腳也可以直接接地，但前者應(yīng)保證8255復(fù)位完畢后才開(kāi)始初始化。a1、a0和cs的接法決定了8255的各端口的地址。微型打印機(jī)的接法如圖3-14所示，用8255的pa口和pc口的pc0來(lái)控制和傳輸數(shù)據(jù)，并把它的busy信號(hào)端接到at89c52的in

50、t1，來(lái)共同控制打印機(jī)的輸出。語(yǔ)音處理電路的控制和數(shù)據(jù)調(diào)用都用8255的pb口來(lái)控制，pb7用來(lái)控制錄音，pb6用來(lái)控制放音，由于在本設(shè)計(jì)中錄音部分是單獨(dú)進(jìn)行的，在應(yīng)用中不再提供錄音功能，但是可以根據(jù)用戶需要在設(shè)計(jì)階段錄入所要求的錄音。圖3-14 系統(tǒng)擴(kuò)展i/o、打印和語(yǔ)音電路3.7.1 微型打印機(jī)tpp40a是一種單片機(jī)控制的微型打印機(jī)。tpp40a每行打印40個(gè)字符，tpp40a微型打印機(jī)與單片機(jī)間是通過(guò)一條20芯扁平電纜及接插件相連。打印機(jī)有一個(gè)20線扁平插座，信號(hào)引腳如圖3-15所示：2 4 6 8 10 12 14 16 18 20gndgndgnd gndgndgndgndgnd/

51、ack/err/stbdb0db1db2db3db4db5db6db7busy 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19圖3-15 打印機(jī)的信號(hào)引腳圖db0db7：數(shù)據(jù)線，單向傳輸，由單片南輸入給打印機(jī)；/stb（storbe）：數(shù)據(jù)選通信號(hào)，在該信號(hào)的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)線上的8位并行數(shù)據(jù)被打印機(jī)讀入機(jī)內(nèi)鎖存；busy：打印機(jī)“忙”狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)有效（高電平時(shí)）時(shí)，表示打印機(jī)正忙于處理數(shù)據(jù)，此時(shí)，單片機(jī)不得使/stb信號(hào)有效，向打印機(jī)送入新的數(shù)據(jù)；/ack：打印機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，低電平有效，表明打印機(jī)送入打印機(jī)已取走數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)；/err：“出錯(cuò)”信號(hào)。當(dāng)送入打印機(jī)的命令格式出錯(cuò)時(shí)，打印

52、機(jī)立即打印一行出錯(cuò)信息，提示出錯(cuò)。在打印出錯(cuò)信息之前，該信號(hào)線出現(xiàn)一個(gè)負(fù)脈沖，脈沖寬度為30s。接口信號(hào)時(shí)序如圖3-16所示： 圖3-16 打印機(jī)的工作時(shí)序選通信號(hào)/stb寬度需大于0.5s。/ack應(yīng)答信號(hào)作為一對(duì)應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)，也可使用/stb與busy作為一對(duì)應(yīng)答聯(lián)絡(luò)信號(hào)。tpp40a的字符代碼及打印命令3.7.2 語(yǔ)音芯片isd1420isd1420是一種錄音數(shù)據(jù)永久保存、高保真、耗電小、適用于同單片機(jī)接口的新一代語(yǔ)音器件。isd1400系列語(yǔ)音芯片是美國(guó)isd(information storage device)公司的新型產(chǎn)品，應(yīng)用它可方便地開(kāi)發(fā)出電壓、溫度、速度等語(yǔ)音測(cè)量模塊以及智

53、能語(yǔ)音告警、提示系統(tǒng)。isd1420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包括時(shí)鐘振蕩器、128k可編程電擦除只讀存儲(chǔ)器、低噪前置放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗干擾濾波器、差分功率放大器等電路。isd1400系列語(yǔ)音芯片采用直接存儲(chǔ)模擬信號(hào)，自動(dòng)待機(jī)省電，可編程電擦除只讀存儲(chǔ)和總線技術(shù)。isd1400是一種具有高保真、錄音數(shù)據(jù)永久保存、省電、適用于同單片機(jī)接口特點(diǎn)的新一代語(yǔ)音芯片。分段錄音時(shí)，isd1420的a0a7用作地址輸入線，a6、a7不可同時(shí)為高電平， 所以地址范圍為0000 00001001 1111，即為十進(jìn)制碼0159共160個(gè)數(shù)值。這表明isd1420的eeprom模擬存儲(chǔ)器最多可被劃分為160個(gè)存儲(chǔ)單元

54、，又isd1420是isd1400系列中錄音時(shí)長(zhǎng)為20s的語(yǔ)音芯片，也就是說(shuō)isd1420最多可存儲(chǔ)160個(gè)語(yǔ)音段，語(yǔ)音段的最小時(shí)間長(zhǎng)度為0125s。不同分段的選擇是通過(guò)對(duì)a0a7端的不同的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。放音時(shí)，我們只用把所要放音內(nèi)容對(duì)應(yīng)的單元地址，通過(guò)8255pb0pb5送到isd1420的a7a2，并由pb6、pb7設(shè)置/rec、/playl為1和0（即設(shè)置為放音狀態(tài)），a7a2是所對(duì)應(yīng)要放音的內(nèi)容對(duì)應(yīng)的單元地址。3.8 電源電路設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì)在方案論證里已有描述，其具體的設(shè)計(jì)如圖3-17所示：如圖3-18所示，+12v和+5v（即vcc）的電源是這樣實(shí)現(xiàn)的：220v的交流電壓通過(guò)tb1變

55、壓器經(jīng)過(guò)變壓輸出15v電壓，然后通過(guò)4個(gè)in4007晶閘管整流，再并聯(lián)兩個(gè)電容，最后接到lm7812和lm7805的vin端，由lm7812的vout和lm7805的vout輸出+12v和+5v電壓，即為我們系統(tǒng)所需電壓。圖3-17 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)圖有些穩(wěn)壓器不加電容也能工作，但當(dāng)輸出端負(fù)載為容性的某些值時(shí)，穩(wěn)壓器可能出現(xiàn)自激現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象產(chǎn)生，可以在輸出端與地之間接一個(gè)1f左右的鉭電容或25f的鋁電解電容，為擴(kuò)大輸出電流，三端集成穩(wěn)壓器也允許并聯(lián)使用。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)智能型身高體重儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、初始化程序、顯示子程序、放音子程序、調(diào)時(shí)子程序、測(cè)量身高程序、測(cè)量體重程序、打印子程序和延時(shí)程序組成。其中可以分為以下幾個(gè)功能模塊：（1）主模塊，分為系統(tǒng)的