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1、m長 沙 航 空 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 Polytechnic Institute畢業(yè)設(shè)計（論文）（2012屆） 基于單片機的數(shù)字鐘設(shè)計學 院、系： 航空電子電氣工程系 專 業(yè)： 生產(chǎn)過程自動化技術(shù) 學 生 姓 名： 李維 班 級： 自動化0901 指導(dǎo)教師姓名 文優(yōu)梅 最終評定成績 16摘 要本系統(tǒng)采用單片機 AT89S52 為控制核心，實現(xiàn)身高體重測量系統(tǒng)的基本控制功能。其中體重量程為150Kg，身高量程為2米。系統(tǒng)的硬件部分包括控制器、數(shù)據(jù)采集處理、顯示輸出三大部分?？刂破鞑糠种饕捎肁T89S52實現(xiàn)控制功能；數(shù)據(jù)采集處理部分分兩大模塊：稱重數(shù)據(jù)采集處理和用超聲波測身高數(shù)據(jù)采集處理，
2、由傳感器、信號的前級處理和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成；顯示輸出部分采用點陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。 軟件部分應(yīng)用單片機匯編語言實現(xiàn)了本設(shè)計的全部控制功能，包括基本的稱重和測量身高功能和中文顯示身高體重數(shù)據(jù)的功能，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴展其應(yīng)用。本系統(tǒng)側(cè)重軟件控制整個系統(tǒng)的運行。關(guān)鍵詞：單片機：AT89S52；AT89C52Take toThe system uses a single-chip AT89S52 as the control core, height and weight measurement system to achieve the basic co
3、ntrol function. The weight range for the 150Kg range is 2meters, height.The hardware of the system comprises a controller, data acquisition and processing, display and output of three parts. The controller part mainly uses AT89S52 to realize control function; data collection and processing is divide
4、d into two modules: weighing data acquisition and processing and ultrasonic wave height measurement data acquisition and processing, composed of a sensor, signal pre-processing and A / D converting part; a display output portion using dot-matrix liquid crystal display, can display Chinese, easy to u
5、se.Software application MCU assembly language to achieve the design all the control functions, including basic weighing and measurement of height function and Chinese display height and weight data function, because the system is rich in resources, but also can facilitate the expansion of its applic
6、ation. The system focuses on the software to control the entire system operation.Key words: SCM: AT89S52; AT89C52目 錄摘 要IAbstractII1 引言11.1課題的背景和意義11.2本論文主要工作12總體設(shè)計方案12.1稱重部分12.2身高部分13傳感器選型14 總結(jié)與展望1參考文獻1附 錄31引言1.1課題的背景和意義 有助于我們了解自己的身高和體重的變化，及時控制自己的飲食和運動，保證自己的身體健康。 1.2本論文主要工作 陳飛負責答辯部分，尋找資料 李江敏負責word制作
7、，尋找資料 唐濤負責PPT制作，尋找資料 2總體設(shè)計方案 硬件電路設(shè)計2. 1 稱重部分2.1.1 工作原理稱重部分主要由稱重傳感器、放大電路、V/F轉(zhuǎn)換、顯示四部分組成，模擬信號通過稱重傳感器輸入，然后經(jīng)過放大電路放大后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換存放到控制單元，再由控制部分和顯示電路驅(qū)動顯示。放大電路的設(shè)計要考慮到抗干擾設(shè)計。稱重原理框圖如圖5所示。AT89S52V/F變換放大電路稱重傳感器顯示電路圖5 稱重原理框圖2.1.2 硬件電路（1）放大電路該部分硬件電路設(shè)計關(guān)鍵在于放大電路的抗干擾設(shè)計。在這里我采用CMOS四運放LMC660AIM，但是只使用了四只運放中的一只即IC1A，其他三只運放為防止
8、干擾將其接成電壓跟隨器形式，并將其同相輸入端接地。IC1A接成差動輸入形式對稱重傳感器橋路輸出的信號進行放大，R2為運放的反饋電阻、決定著該級放大的電壓增益。C1、C2、C3、C5均為濾波電容，C1、C2可以濾除傳感器輸出信號中的高頻干擾，C3、C5濾除傳感器供電電源中的干擾。（2）A/D轉(zhuǎn)換電路 此處A/D轉(zhuǎn)換器次用TLC2543，TLC2543工作原理如下：上電后，片選必須從高到低，才能開始一周工作周期，此時EOC為高，輸入數(shù)據(jù)寄存器被置為0，輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容是隨機的。開始時，片選為高，I/O CLOCK、DATA INPUT被禁止，DATA OUT呈高阻狀態(tài)，EOC為高。使變低，I/
9、O CLOCK、DATA INPUT使能，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。12個時鐘信號從I/O CLOCK端依次加入，隨著時鐘信號的加入，控制字自從DATA INPUT一位一位地在時鐘信號的上升沿時被送入TLC2543（高位先送入），同時上一周期轉(zhuǎn)換的A/D數(shù)據(jù)，即輸出數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)從DATA OUT一位一位的移出。TLC2543收到第4個時鐘信號后，通道號也已經(jīng)收到，因此，此時TLC2543開始對選定通道的模擬量進行采樣，并保持到第12個時鐘的下降沿，EOC變低，開始對本次采樣的模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間約需10s，轉(zhuǎn)換完成EOC變高，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個工作周期輸
10、出。此后，可以進行新的工作周期。TLC2543與AT89S52的接口電路如圖6所示。圖6 TLC2543與AT89S52的接口電路顯示部分與測身高顯示采用同一個電路，將在下面單獨介紹。本部分的電路圖如圖7所示。圖7稱重部分原理圖2.2 測身高部分2.2.1 超聲波測距原理超聲波測距主要應(yīng)用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。它是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t,然后求出距離S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立
11、即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2。2.2.2 超聲波測身高距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用AT89S52，經(jīng)濟易用。電路原理圖如圖8所示。圖8超聲波測身高距系統(tǒng)電路（1）40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這由單片機執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生 DSH： MOV 14H, #12H；超聲波發(fā)射持續(xù)2
12、00ms HERE： CPL P1.0 ；輸出40kHz方波NOP ； NOP ； NOP ； DJNZ 14H，HERE； RET電路的輸入端接單片機P1.0端口，單片機執(zhí)行上面的程序后，在P1.0 端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。 （2）超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/1.1R8C3，電容C9決定其鎖
13、定帶寬。調(diào)節(jié)Rp1在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，身高?shù)據(jù)通過8腳送至單片機進行數(shù)據(jù)處理。 電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高。（3）計算超聲波傳播時間 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。2.3 顯示部分顯示電路通過軟件控制分時顯示身高和體重的測量數(shù)據(jù)。為了大家能分清楚所顯示數(shù)據(jù)是身高還是體重，在設(shè)計時我
14、采用了可以顯示中文的OCM4X8C液晶顯示器。OCM4X8C是具有串/并接口，具內(nèi)部含有中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊。該模塊的控制/驅(qū)動器采用臺灣矽創(chuàng)電子公司的ST7920，因而具有較強的控制顯示功能。OCM4X8C的液晶顯示屏為12864點陣，可顯示4行、每行8個漢字。為了便于簡單、方便地顯示漢字，該模塊具2Mb的中文字型CGROM，該字型ROM中含有8192個1616點陣中文字庫；同時，為了便于英文和其它常用字符的顯示，具有16Kb的168點陣的ASCII字符庫；為便于構(gòu)造用戶圖形，提供了一個64256點陣的GDRAM繪圖區(qū)域，且為了便于構(gòu)造用戶所需字型，提供了4組1616點陣的造字空間
15、。利用上述功能，OCM4X8C可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示。為便了和多種微處理器、單片機接口，模塊提供了4位并行、8位并行、2線串行、3線串行多種接口方式。該模塊具有2.75.5V的寬工作電壓范圍，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足系統(tǒng)各種工作電壓及便攜式儀器低功耗的要求。液晶模塊顯示負電壓，也由模塊提供，從而簡化了系統(tǒng)電源設(shè)計。模塊同時還提供LED背光顯示功能。除此之外，模塊還提供了畫面清除、游標顯示/隱藏、游標歸位、顯示打開/關(guān)閉、顯示字符閃爍、游標移位、顯示移位、垂直畫面旋轉(zhuǎn)、反白顯示、液晶睡眠/喚醒、關(guān)閉顯示等操作指令。OCM4X8C具有串/并多種接口方
16、式，方便了模塊與各種單片機、微處理器的連接。（1）4/8位并行接口方式當模塊的PSB腳接高電平時，模塊即進入并行接口模式。在并行模式下可由功能設(shè)定指令的“DL”位來選擇8位或4接口方式，主控制系統(tǒng)將配合“RS”、“RW”、“E”DB0DB7來完成指令/數(shù)據(jù)的傳送，其操作時序與其它并行接口液晶顯示模塊相同。（2）2/3線串行接口方式當模塊的PSB腳接低電平時，模塊即進入串行接口模式。串行模式使用串行數(shù)據(jù)線SID與串行時鐘線SCLK來傳送數(shù)據(jù)，即構(gòu)成2線串行模式。OCM4X8C還允許同時接入多個液晶顯示模塊以完成多路信息顯示功能。此時，要利用片選端“CS”構(gòu)成3線串行接口方式，當“CS”接高電位時
17、，模塊可正常接收并顯示數(shù)據(jù)，否則模塊顯示將被禁止。通常情況下，當系統(tǒng)僅使用一個液晶顯示模塊時，“CS”可連接固定的高電平。由圖2可以看出，單片機與液晶模塊之間傳送1字節(jié)的數(shù)據(jù)共需24個時鐘脈沖。首先，單片機要給出數(shù)據(jù)傳輸起始位，這里是以5個連續(xù)的“1”作數(shù)據(jù)起始位，如模塊接收到連續(xù)的5個“1”，則內(nèi)部傳輸被重置并且串行傳輸將被同步。緊接著，“RW”位用于選擇數(shù)據(jù)的傳輸方向（讀或?qū)懀?，“RS”位用于選擇內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器或指令寄存器，最后的第8位固定為“0”。在接收到起始位及“RW”和“RW”的第1個字節(jié)后，下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)或指令將被分為2個字節(jié)來串行傳送或接收。數(shù)據(jù)或指令的高4位，被放在第2個字節(jié)
18、串行數(shù)據(jù)的高4位，其低4位則置為“0”；數(shù)據(jù)或指令的低4位被放在第3個字節(jié)的高4位，其低4位也置為“0”，如此完成一個字節(jié)指令或數(shù)據(jù)的傳送。需要注意的是，當有多個數(shù)據(jù)或指令要傳送時，必須要等到一個指令完成執(zhí)行完畢后再傳送下一個指令或數(shù)據(jù)，否則，會造成指令或數(shù)據(jù)的丟失。這是因為液晶模塊內(nèi)部沒有發(fā)送/接收緩沖區(qū)。 OCM4X8C與AT89S52的接口電路如圖9所示。在本設(shè)計中通過軟件來控制顯示，單片機先處理稱重數(shù)據(jù)后顯示稱重結(jié)果，在顯示時通過軟件置數(shù)使顯示身高程序終止，當稱重結(jié)果顯示一定時間后再顯示測量身高結(jié)果，因為稱重數(shù)據(jù)傳入是以中斷方式，所以現(xiàn)實的時候也有可能先顯示身高后顯示體重。顯示器顯示數(shù)
19、據(jù)的同時顯示“身高”或“體重”，所以不會影響被測量者看測量結(jié)果。圖9 OCM4X8C與AT89S52的接口電路 軟件設(shè)計 AT89S52單片機和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達能力強、表達方式靈活、可進行結(jié)構(gòu)化設(shè)計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點。本設(shè)計的軟件部分采用模塊化設(shè)計，由主程序、測量體重子程序、測量身高子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成。主程序流程圖如圖10所示。2.4.1 稱重部分軟件設(shè)計稱重部分的A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC2543，TLC2543的控制端接單片機的P1.3口，接收稱重數(shù)據(jù)時將其置0，TLC2543的DIN、DOUT端分別接
20、單片機的P1.1、P1.2端口，進行數(shù)據(jù)傳輸，TLC2543的I/O CLK端接單片機的P1.0口，P1.0口為轉(zhuǎn)換器提供時鐘脈沖。稱重主流程圖如圖11所示。開 始單片機初始化測身高測體重單片機初始化結(jié)束 測體重入口參數(shù)初始化轉(zhuǎn)換存儲參數(shù)初始化返回圖10 主程序流程圖 圖11 稱重主程序流程圖稱重程序清單：；主程序 ORG 0500H LIMP TZH ORG 0800H LJMP TLC2543TZH： MOV P1,#04H；準備讀P1.2MOV R0,#2FH；置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)CLR P1.0；置I/O時鐘為低SETBP1.3；置CS為高ACALLTLC2543；調(diào)轉(zhuǎn)換子程序ACALL DI
21、SPLAY ；調(diào)顯示子程序SJMP$；轉(zhuǎn)換子程序TLC2543: MOVA,#0EH；通道選擇和工作模式送A CLR P1.3 ；置CS為低 MOV R5,#0CH ；置輸出位記數(shù)初始LOOP: MOVC,P1.2；讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)一位RLC A ；將進位位右移給A(將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的一位讀入,同時；將一位控制位移如C MOVP1.1,C；送出一位控制位 SETB P1.0；置I/O時鐘為高 CLR P1.0；置I/O時鐘為低 CJNE R5,#05H；LOP1 MOVR0,A；前8位存入RAMCLRALOP1: DJNZR5,LOOP；未轉(zhuǎn)換完繼續(xù) ANLA,#0FH；轉(zhuǎn)換完的存入單元 MOVR0,A
22、 MOVR2,#OAH ；延時DELAY: DJNZR2,DELAY; RET END2.4.2 測量身高部分軟件設(shè)計測量身高采用超聲波測量，單片機的P1.0口為超聲波的發(fā)射提供計數(shù)脈沖，使產(chǎn)生200ms的40KHZ的方波脈沖，當時間到達后假如仍沒有收到反射回來的超聲波，則重新發(fā)射超聲波，直到收到反射波為止。在這里有一點值得注意，在開機的時候先不要急于測量，讓機器先測量超聲波源于人要所站的平面地的距離，并存入測身高入口定時中斷子程序有回波嗎？外部中斷子程序返回NY單片機的內(nèi)存單元50H和51H，當有人測量時，測出的距離為波源于人頭頂?shù)木嚯x，并存入內(nèi)存單元30H和31H，這時，通過單片機軟件設(shè)計
23、將50H和51H單元的內(nèi)容減去30H和31H的內(nèi)容即得出人的身高，這樣可以保證測量的準確性。身高數(shù)據(jù)傳入單片機是通過INT0口的中斷，一旦數(shù)據(jù)傳入將直接處理顯示，它可能會中斷體重測量的數(shù)據(jù)處理和顯示，但不會影響數(shù)據(jù)的準確性，它與體重測量結(jié)果 圖12 測量身高主程序流程圖的 顯示不存在先后問題。測 量身高的主程序流程圖如圖12，定時 服務(wù)子程序及中斷子程序流程圖分別外部中斷入口關(guān)外部中斷讀取時間值計算距離結(jié)果輸出關(guān)外部中斷返回如圖13(a)、(b)。定時中斷入口定時器初始化發(fā)出超聲波時間到停止發(fā)射返回（a）定時子程序 (b)中斷子程序圖13 服務(wù)子程序測量身高C語言程序：主程序：/ header
24、 file#include / define readonly variableconst char* const ERR_STRING = 您輸入的字符有誤，請重新;const char* const INFO_STRING = *;/ will call this function when input have errorvoid PrintErr(void) printf(ERR_STRING); while(getchar()!=n);/ get a lower charchar GetLowerChar(const char* str) char c; puts(str); / o
25、utput infomation for input scanf( %c,&c); return (c=A & c=Z)?c+32:c;/ translate to lower/ Get a char choose in a & b./ other character will make errorint LoopInputChar(const char* str, char a = y, char b = n) char a1 = GetLowerChar(str); for(; a1!=a & a1!=b; a1 = GetLowerChar(str+2) PrintErr(); retu
26、rn a1;/ Get a double-type valuedouble GetDouble(const char* str) double d; for(puts(str); scanf(%lf,&d)!=1; puts(str+2) PrintErr(); return d;/ stature testvoid StatureTest() char c, ys; double fu,mu,wo,wo2; fu = GetDouble(請輸入您的父親身高：); mu = GetDouble(請輸入您的母親身高：); / input gender c = LoopInputChar(請輸入您
27、的性別，男生M，女生F：, m, f); if(c = m) wo = (fu+mu)*0.54; else wo = (fu*0.923+mu)/2; wo2 = wo; / input other infomations c = LoopInputChar(請回答：您平時喜歡鍛煉嗎？(y/n)：); ys = LoopInputChar(請回答：您平時飲食規(guī)律嗎？(y/n)：); if(c = y) / check the answer and calculate wo2 += wo*0.02; if(ys =y) wo2 += wo*0.015; else if(ys =y) wo2 +
28、= wo*0.015; / output printf(您的未來身高是%.2lf米!n,wo2); puts(INFO_STRING); return ;/ main functionint main(void) / output infomation about the test puts(現(xiàn)在將為您測試一下未來身高，請相信它的科學性！); puts(INFO_STRING); do / loop input test StatureTest(); / is exit program while(LoopInputChar(請回答：您要退出嗎？(y/n)：)=n); return 0; /
29、must be null3傳感器選型3.1.1 GF-7橋形稱重傳感器稱重部分傳感器選用GF-7橋形稱重傳感器，其量程為150Kg,精度為0.01%，滿量程時誤差為：0.015Kg，可以滿足系統(tǒng)的精度要求。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示， 具體參數(shù)如下所示：WTP 209重力傳感器靈敏度：30.01 mV/V非線性、滯后：0.03 %FS重復(fù)性：0.02 %FS蠕 變：0.03 %FS/30min零點輸出：1 %FS 圖2 GF-7橋形稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖零點溫度系數(shù)、額定輸出溫度系數(shù)：0.03 %FS/10 輸入電阻：70010 輸出電阻： 7005 絕緣電阻： 5000 M供橋電壓：10(DC/AC) M
30、AX:15(DC/AC) V溫度補償范圍：1050 允許溫度范圍：2060 允許過負荷：120 %FS價格：30元3.1.2 關(guān)于傳感器的說明對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自動補償片，并從外部對它加以適當?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱
31、重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。 在露天下使用傳感器，還應(yīng)考慮陽光直射產(chǎn)生的溫度影響和風壓的影響。3.2超聲波傳感器UCL-200超聲波傳感器精 度 0.25%FS分 辨 率 0.125輸 出 420mA光束寬度 8度圓錐形電源電壓 14 36VDC工作壓力 30psi772bar25C）工作溫度 40 140（40C 60C）溫度補償 全自動溫度補償電氣接口 0.5NPT外殼防護 NEMA6IP65外殼材料 聚丙烯傳感器材質(zhì)PVDF校 準 按鈕式顯示單位 英寸（厘米）CE認證 EN50082-2抗干擾EN55011電磁干擾EN610101本安價格15元4總結(jié)與展望經(jīng)過著一個學期對智能儀器
32、和傳感器的認真學習，我對電子產(chǎn)品的控制核心的設(shè)計有了更深刻的認識，學校在學期末給我們安排的這次課程設(shè)計又給了我一次實踐的機會。本次設(shè)計我做的是身高體重測量儀的設(shè)計，這個系統(tǒng)包括兩大部分：測量身高和測量體重。由于整個系統(tǒng)都是靠軟件控制，所以編程在這里就顯得比較重要了，不過編程是我的一大弱點，這給軟件設(shè)計帶來很大的困難，在以后我應(yīng)加強這方面的練習。參考文獻1 李林功，吳飛青，王兵等單片機原理與應(yīng)用北京：機械工業(yè)出版社，2007:96-12 2 孫延耀. 關(guān)于如何選用稱重傳感器的幾點建議.科學技術(shù)出版社2001 3李軍，文玉梅.數(shù)字稱重傳感器的信號獲取及處理.工業(yè)出版社 1996附 錄大圖，元器件說明書，你撰寫的說明書或銷售宣傳資料（如果有）等,照片
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