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1、 (B题) 简易综合体质测量仪谢朋洲 贾曼莉 杨振银（机电工程学院）摘要：本文以STC12C5A60S2单片机为主控制器，设计了一套简易实用的系统，可以较准确的测量人体的身高、体重和肺活量。该系统主要由5部分组成：基于IC522的非接触式IC卡读写模块，基于超声波传感器的测身高模块，基于重力传感器的测体重模块，基于气体压力传感器的肺活量测试模块和基于12864液晶的显示模块。结合各模块的理论知识以及计算原理，编译成相应的计算机语言，从而使外部测量数据经过该系统的运作转化为相应的结果并显示。该系统运行稳定，测量值的误差较小，信息显示清晰直观，比较理想的实现了设计要求。同时，该系统还扩展了上位机功
2、能和红外线遥控人机交互功能，可以把个人信息及测量结果在基于安卓的平板电脑上显示并导出。关键词：STC12C5A60S2单片机超声波传感器气体压力传感器重力传感器人机交互 Abstract:ThecontrollerofthesimpleandpracticalsystemwehavedesignedisbasedonthesinglechipAT89C52.Itcanaccuratelymeasuretheheight,theweightandthevitalcapacityofpeople.Thissystemismainlymadeby5parts:thenon-contactICcard
3、readandwritemodulebasedonIC522,themoduleformeasurigheightbasedonultrasonicsensor,themoduleformeasuringtheweightbasedonpressuresensor,themoduleformeasuringthevitalcapacitybasedongassensorandtheshowingmodulebasedon12864liquidcrystal.Thesystemcombineswithallmodulestheoreticalknowledgeandcalculationprin
4、ciple,turnstheexternalmetricaldatatothehomologousresultsandshowsthemonthecomputerdisplay.Thesystemhasachievedthedesignrequstionideallywiththeseadvantages:nocrashandotherundesirablephenomenonwhenitisworking,theerrorrangeofthemetricaldataismoresmaller,showingtheinformationclearlyandintutively.Simultan
5、eously,thesystemhasextendedthefunctionofuppercomputerandinfraredremotecontrolman-machineinteraction,thatmeansitcanshowtheindividualinformationandthemeasuringresultsontheAndroidtabletPCandexportthedata.Keywords: thesinglechipSTC12C5A60S2 ultrasonicsensor gassensor pressuresensor man-machineinteractio
6、n一 系统方案设计与论证1.1 整体方案设计根据题目要求，设计并制作一台简易大学生综合体质测量仪。本系统主要有IC卡模块、肺活量测试模块、称重测试模块、身高测试模块、电源模块、人机交互等模块组成。系统总体框图如下：MCU电源模块液晶显示红外遥控ADAD放大模块肺活量测量模块身高测量模块ID卡模块体重测量模块上位机1.2 各模块方案论证1.2.1 控制器模块方案一：采用ARM微处理做主控芯片，优点：计算速度快；缺点：成本高，控制较复杂，不容易焊接。方案二：采用AT89C52单片机做主控制器，由单片机来完成采集和信号处理等底层的核心计算，做主控芯片，成本低，易控制，易实现。考虑到ARM利用率低，资
7、源浪费；AT89C52加少许外围芯片完全能够满足本设计要求，故选择方案二，采用AT89C52单片机作为系统的控制单元。1.2.2 IC卡模块方案一：接触式IC卡通过机械触点从读写设备获取能量和交换数据，它实现简单，成本也相对较低，但存在触点易磨损，读写操作速度慢，操作不方便。方案二：通过射频电磁感应从读写设备获取能量和交换数据，使用方便快捷、不易损坏，可用于存取频繁、可靠性要求高的场合。考虑到方式快捷的读写方式和灵活的适应性和用户的需要，故采用方案二。1.2.3 肺活量测量模块方案一：通过AWM700系列气体流量传感器直接测量气体流量，再将传感器的输出电压经由AD送到单片机中进行处理，计算得出
8、具体流量。气体流量传感器的优点是：压损小，精度高，易于维护，但是价格普遍较高。 方案二： 通过气体压力传感器测量一定时间内的气体流量，将气压传感器置于已知截面积的细管中，输出电压信号经过A/D转换再送到单片机器，结合气压与流速的关系以及测量时间得出总的气体流量。再由液晶模块显示。考虑到气体压力传感器成本低、精度高，外界干扰对其影响小，故采用方案二。1.2.4 称重测量模块方案一：数字式称重压力传感器采用数字技术，在传感器内部对模拟重量信号进行A/D转换等预处理。对模拟传感器的温度、非线性、滞后、蠕动性能等进行自动数字化补偿，最后输出数字信号。方案二：电阻应变式称重传感器利用物体重力使内部电阻应
9、变片产生形变，引起阻值改变，将力学信号转化为电压信号。考虑到数字式称重传感器虽然使用简便，但价格过高。同时电阻式称重传感器结构简单，使用方便，价格便宜，能满足系统的要求。故采用方案二。1.2.5 身高测量模块方案一：超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波可以在各种不同的媒质中传播，且可传播足够远的距离。方案二：红外线传感器利用红外线的物理性质进行测量的传感器。器件功耗小，价格廉价，但容易受到热源、阳光源等干扰。考虑到超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，精确度高的特点，故采用方案一。1.2.6 A/D转换模块方案一：HX711是一款专为电子称而设计的高精度的24位A/D转换器
10、芯片。该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器，差分放大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、抗干扰性强的优点。方案二：AD7810是一种低功耗10位高速串行A/D转换器。该芯片带有内部时钟，外围接线及其简单，但精度较低。方案三：AD0809是一种低功耗8位并口通信，转换速度快，易于编程，但该精度低。考虑到高精度电子秤择使用HX711芯片；ADC0809芯片A/D转换速度快，8位串口能够完成题目要求。故在处理称重信号时采用方案一，在处理肺活量信号时采用方案三。1.2.7 人机交互模块方案一：采用七段数码管显示。优点：亮度高，显示大；缺点：与液晶相比，耗电及体积大，并且只能
11、显示简易字符。独立式按键，程序编制简单，每个按键占用一条I/O线。方案二：采用无字库LCD12864。12864是128*64点阵液晶模块，显示信息量大、字迹清晰、稳定，美观、视觉舒适低功耗，能够显示图形。采用红外遥控传感，它是一种无线非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，可方便控制单片机。方案三：采用字符型LCD1602液晶显示器。微功耗、尺寸小，超薄轻巧，价格便宜，但显示信息量较少，仅限于字符，不能显示图形，难以满足设计需求。矩阵式按键，程序编制复杂，占用I/O线少。 为了更好实现人机交互并合理利用I/O口，采用方案二。1.2.8 电源模块：方案一：由220V交流
12、供电，根据测量仪各部件工作所需要使用的电压不同，用三端稳压芯片L7805、L7809、L7812、L7912、LM317构成线性稳压电源，设计电路简单，稳压可靠，能满足本设计中所需要的不同电压的需要。方案二：使用干电池给系统供电，但由于干电池无法实现重复使用，不仅浪费严重而且对环境造成很大的危害。此设计考虑到内部电路所需电源大小不同且仪器使用频繁，为了节约资源，采用方案一。二 理论分析与计算2.1称重传感器原理计算电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。一段圆截面的金属丝导线，设其长为，截面积为（直径为）,原始电阻为。 （1）当
13、金属丝受到轴向力而被拉伸（或压缩）产生形变，对（1）两边取对数再取全微分得： (2)式中令为材料轴向线应变 根据材料力学，在金属丝单向受力状态下有： (3)式中为导性材料的泊松比。因此有： （4）得，金属材料电阻率的相对变化与体积的相对变化间的关系: (5) 式中，为常数（由一定的材料和加工方式决定），,将（5）代入，且当时可得： （6）式中，为金属丝材料的应变灵敏系数。2.2 肺活量测量原理与计将气压传感器置于已知截面积的细管中，在被测者向管中吹气时，便可通过个时刻的气压与流速的关系的出相应的气体流速，再结合测量时间计算得出气体总流量。测量的原理框图如下：气体压力气体流速气体流量根据流体力学
14、知识，流量，（是测试管的截面积，是气体的流速）,而(为压力)，因而，积分可以经过多次的累加实现。（是一个调节系数）2.3 身高测量原理与计算本设计以超声波测距，利用脉冲回波法测量距离。当发射的超声波遇到障碍物时就会发生反射，接收探头就会接收到返回的超声波。因此只要测定超声波从发射到接收所用的时间,那么超声波从探头发射到达反射面的时间为/2，从超声波探头到反射面之间的距离,公式如下：（=331.4m/s）具体如下所示： 超声波探头三 电路与程序设计 3.1 电路的设计 本设计以AT89C52单片机为主控制器，主要包括：基于IC522的非接触式IC卡读写模块，基于超声波传感器的测身高模块，基于重力
15、传感器的测体重模块，基于气体压力传感器的肺活量测试模块，12864液晶的显示模块和红外遥控器。同时，该系统还扩展了上位机功能和红外线遥控人机交互功能，可以把个人信息及测量结果在基于安卓的平板电脑上显示并导出。3.1.1 系统电路图。详见附录A(1)3.1.2 单元电路设计控制模块：采用AT89C52单片机，它是整个系统的核心，主要作用是利用控制程序对系统各部分发出控制指令，实现对整个系统的程序控制。详见附录A(2)IC卡模块：基于IC522的非接触式IC卡读写模块，通过射频电磁感应读取持卡人信息。详见附录A(3)肺活量测量模块：采用MPX2010DP气体压力传感器测量和由LM324集成运放构成
16、的放大电路，将人呼出的气体大小转换成电信号，通过A/D转换和数据处理测量人体肺活量。详见附录A(4)称重测量模块：采用电阻应变式称重传感器和hx711 A/D，将压力信息转换成电信号，通过A/D转换和数据处理测量人体体重。详见附录A(5)身高测量模块：基于超声波传感器的测身高模块，利用超声波测距原理测量人体身高。详见附录A(6)3.2 程序的设计3.2.1 软件所实现的功能读IC卡、身高测量、称重测量、肺活量测量、显示测量结果、红外线遥控。3.2.2 软件流程图软件流程图详见附录B(1)。部分源程序详见附录B(2)。四 测试方案与测试结果4.1 测试仪表与工具电源、数字示波器、万用表、砝码、卷
17、尺,1000ml针筒。4.2 测试方法根据基本要求，开启电源，依次进行读卡、测量身高、体重和肺活量。为了提高准确性，多测几次求平均值。校正完数据后，根据题目要求进行发挥部分测试，将所测信息通过无线通信传输到基于安卓的平板电脑上并显示和导出。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果（1）身高测量测试标号 123456标准值（mm）155516021666172218021845测量值(mm)155716031665172518021844误差值（mm）+2+1-1+30-1（2） 体重测量测试标号 123456标准值（kg）40.0055.0060.0070.0075.0080.00测量值 (k
18、g)40.0554.9460.0770.0575.9880.02误差值（kg）+0.05-0.06+0.07+0.05-0.02+0.02(3) 肺活量测量测试标号 123456标准值（ml）3302.34211.74522.05011.05480.16023.1测量值 (ml)3302.64211.14522.75011.55480.36023.9误差值（ml）+0.3-0.6+0.7+0.5+0.2+0.84.3.2 测试分析与结论根据上述测试数据，通过对身高、体重、肺活量的测量值与实际值的比较，发现测量值在误差允许范围内。所测数据通过无线通信能够在基于安卓平板电脑显示出来。五 结束语 在
19、本次设计大赛中，我们小组成员分工明确，紧密合作，不但完成了题目的基本要求部分，发挥部分也有所突破，学习和巩固专业基础的同时，也加深了了团队合作，培养了吃苦耐劳、知难而上的品质。在系统的设计、软件的调试，硬件的运用方面得到了很好锻炼，提高了我们分析问题、解决问题的能力。通过这次比赛，我们获益匪浅，也深刻体会到：实践是理论运用的最好检验！由于我们自身水平有限，时间紧张等因素，本作品在设计上还存在许多值得改进和优化的地方，在以后的学习中，我们会更加勤谨，不断改进，在此，感谢和期待各位指导老师和评委老师的指导和建议！参考文献【1】电子技术基础 模拟部分.康华光 .高等教育出版社. 2006【2】电子技
20、术基础 数字部分.康华光. 高等教育出版社. 2006【3】单片机原理与应用.张毅刚 . 高等教育出版社 . 2012【4】 计算机辅助电路设计与Protel DXP.李俊婷. 高等教育出版社 .2010附录A （1） 系统总电路图 （2） AT89C52单片机最小系统（3）非接触式IC卡电路图 （4）肺活量测量模块电路图（5）称重测量模块电路图（6） 身高测量模块电路图附录B（1） 软件主流程图开始器件和数据初始化红外遥控器开机画面显示扫描键值判断键值读取IC卡显示卡号测量身高显示身高测量体重显示体重测试肺活量显示肺活量NY 开始初始化液晶显示键盘扫描判断键值？A/D采样数据处理开始初始化数
21、据传送TI位=1？N数据传送完毕？NY结束 称重流程图 蓝牙流程图 （2）部分源程序/读取HX711ad转换值/*void Delay_hx711_us(void)_nop_();_nop_();unsigned long HX711_Read(void)/增益128unsigned long count; unsigned char i; HX711_DOUT=1; Delay_hx711_us(); HX711_SCK=0; count=0; while(HX711_DOUT); for(i=0;i24;i+) HX711_SCK=1; count=count Weight_Maopi)Weight_Shiwu = HX711_Buffer;Weight_Shiwu = Weight_Shiwu - Weight_Maopi;/获取实物的AD采样数值。Weight_Shiwu=(unsignedint)(float)Weight_Shiwu/107.37*56.2+0.05); /计算实物的实际重量,因为不同的传感器特性曲线不一样，因此，每一个传感器需要矫正这里的56.2这个乘数。当发现测试出来的重量偏大时，增加该数值。如果测试出来的重量偏小时，减小改数值。该数值一般在4.0-5.0之间。因传感器不同而定。+0.05是为了四舍五入百分位
