B題簡易綜合體質(zhì)測量儀

1、 (B題) 簡易綜合體質(zhì)測量儀謝朋洲 賈曼莉 楊振銀（機(jī)電工程學(xué)院）摘要：本文以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控制器，設(shè)計(jì)了一套簡易實(shí)用的系統(tǒng)，可以較準(zhǔn)確的測量人體的身高、體重和肺活量。該系統(tǒng)主要由5部分組成：基于IC522的非接觸式IC卡讀寫模塊，基于超聲波傳感器的測身高模塊，基于重力傳感器的測體重模塊，基于氣體壓力傳感器的肺活量測試模塊和基于12864液晶的顯示模塊。結(jié)合各模塊的理論知識(shí)以及計(jì)算原理，編譯成相應(yīng)的計(jì)算機(jī)語言，從而使外部測量數(shù)據(jù)經(jīng)過該系統(tǒng)的運(yùn)作轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)果并顯示。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測量值的誤差較小，信息顯示清晰直觀，比較理想的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該系統(tǒng)還擴(kuò)展了上位機(jī)功

2、能和紅外線遙控人機(jī)交互功能，可以把個(gè)人信息及測量結(jié)果在基于安卓的平板電腦上顯示并導(dǎo)出。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機(jī)超聲波傳感器氣體壓力傳感器重力傳感器人機(jī)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 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證1.1 整體方案設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求，設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)簡易大學(xué)生綜合體質(zhì)測量儀。本系統(tǒng)主要有IC卡模塊、肺活量測試模塊、稱重測試模塊、身高測試模塊、電源模塊、人機(jī)交互等模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如下：MCU電源模塊液晶顯示紅外遙控ADAD放大模塊肺活量測量模塊身高測量模塊ID卡模塊體重測量模塊上位機(jī)1.2 各模塊方案論證1.2.1 控制器模塊方案一：采用ARM微處理做主控芯片，優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算速度快；缺點(diǎn)：成本高，控制較復(fù)雜，不容易焊接。方案二：采用AT89C52單片機(jī)做主控制器，由單片機(jī)來完成采集和信號處理等底層的核心計(jì)算，做主控芯片，成本低，易控制，易實(shí)現(xiàn)?？紤]到ARM利用率低，資

7、源浪費(fèi)；AT89C52加少許外圍芯片完全能夠滿足本設(shè)計(jì)要求，故選擇方案二，采用AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制單元。1.2.2 IC卡模塊方案一：接觸式IC卡通過機(jī)械觸點(diǎn)從讀寫設(shè)備獲取能量和交換數(shù)據(jù)，它實(shí)現(xiàn)簡單，成本也相對較低，但存在觸點(diǎn)易磨損，讀寫操作速度慢，操作不方便。方案二：通過射頻電磁感應(yīng)從讀寫設(shè)備獲取能量和交換數(shù)據(jù)，使用方便快捷、不易損壞，可用于存取頻繁、可靠性要求高的場合。考慮到方式快捷的讀寫方式和靈活的適應(yīng)性和用戶的需要，故采用方案二。1.2.3 肺活量測量模塊方案一：通過AWM700系列氣體流量傳感器直接測量氣體流量，再將傳感器的輸出電壓經(jīng)由AD送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，計(jì)算得出

8、具體流量。氣體流量傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：壓損小，精度高，易于維護(hù)，但是價(jià)格普遍較高。 方案二： 通過氣體壓力傳感器測量一定時(shí)間內(nèi)的氣體流量，將氣壓傳感器置于已知截面積的細(xì)管中，輸出電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換再送到單片機(jī)器，結(jié)合氣壓與流速的關(guān)系以及測量時(shí)間得出總的氣體流量。再由液晶模塊顯示?？紤]到氣體壓力傳感器成本低、精度高，外界干擾對其影響小，故采用方案二。1.2.4 稱重測量模塊方案一：數(shù)字式稱重壓力傳感器采用數(shù)字技術(shù)，在傳感器內(nèi)部對模擬重量信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。對模擬傳感器的溫度、非線性、滯后、蠕動(dòng)性能等進(jìn)行自動(dòng)數(shù)字化補(bǔ)償，最后輸出數(shù)字信號。方案二：電阻應(yīng)變式稱重傳感器利用物體重力使內(nèi)部電阻應(yīng)

9、變片產(chǎn)生形變，引起阻值改變，將力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電壓信號?？紤]到數(shù)字式稱重傳感器雖然使用簡便，但價(jià)格過高。同時(shí)電阻式稱重傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格便宜，能滿足系統(tǒng)的要求。故采用方案二。1.2.5 身高測量模塊方案一：超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波可以在各種不同的媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。方案二：紅外線傳感器利用紅外線的物理性質(zhì)進(jìn)行測量的傳感器。器件功耗小，價(jià)格廉價(jià)，但容易受到熱源、陽光源等干擾。考慮到超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中，精確度高的特點(diǎn)，故采用方案一。1.2.6 A/D轉(zhuǎn)換模塊方案一：HX711是一款專為電子稱而設(shè)計(jì)的高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器

10、芯片。該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，差分放大等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。方案二：AD7810是一種低功耗10位高速串行A/D轉(zhuǎn)換器。該芯片帶有內(nèi)部時(shí)鐘，外圍接線及其簡單，但精度較低。方案三：AD0809是一種低功耗8位并口通信，轉(zhuǎn)換速度快，易于編程，但該精度低?？紤]到高精度電子秤擇使用HX711芯片；ADC0809芯片A/D轉(zhuǎn)換速度快，8位串口能夠完成題目要求。故在處理稱重信號時(shí)采用方案一，在處理肺活量信號時(shí)采用方案三。1.2.7 人機(jī)交互模塊方案一：采用七段數(shù)碼管顯示。優(yōu)點(diǎn)：亮度高，顯示大；缺點(diǎn)：與液晶相比，耗電及體積大，并且只能

11、顯示簡易字符。獨(dú)立式按鍵，程序編制簡單，每個(gè)按鍵占用一條I/O線。方案二：采用無字庫LCD12864。12864是128*64點(diǎn)陣液晶模塊，顯示信息量大、字跡清晰、穩(wěn)定，美觀、視覺舒適低功耗，能夠顯示圖形。采用紅外遙控傳感，它是一種無線非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，可方便控制單片機(jī)。方案三：采用字符型LCD1602液晶顯示器。微功耗、尺寸小，超薄輕巧，價(jià)格便宜，但顯示信息量較少，僅限于字符，不能顯示圖形，難以滿足設(shè)計(jì)需求。矩陣式按鍵，程序編制復(fù)雜，占用I/O線少。 為了更好實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互并合理利用I/O口，采用方案二。1.2.8 電源模塊：方案一：由220V交流

12、供電，根據(jù)測量儀各部件工作所需要使用的電壓不同，用三端穩(wěn)壓芯片L7805、L7809、L7812、L7912、LM317構(gòu)成線性穩(wěn)壓電源，設(shè)計(jì)電路簡單，穩(wěn)壓可靠，能滿足本設(shè)計(jì)中所需要的不同電壓的需要。方案二：使用干電池給系統(tǒng)供電，但由于干電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，不僅浪費(fèi)嚴(yán)重而且對環(huán)境造成很大的危害。此設(shè)計(jì)考慮到內(nèi)部電路所需電源大小不同且儀器使用頻繁，為了節(jié)約資源，采用方案一。二 理論分析與計(jì)算2.1稱重傳感器原理計(jì)算電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。一段圓截面的金屬絲導(dǎo)線，設(shè)其長為，截面積為（直徑為）,原始電阻為。 （1）當(dāng)

13、金屬絲受到軸向力而被拉伸（或壓縮）產(chǎn)生形變，對（1）兩邊取對數(shù)再取全微分得： (2)式中令為材料軸向線應(yīng)變 根據(jù)材料力學(xué)，在金屬絲單向受力狀態(tài)下有： (3)式中為導(dǎo)性材料的泊松比。因此有： （4）得，金屬材料電阻率的相對變化與體積的相對變化間的關(guān)系: (5) 式中，為常數(shù)（由一定的材料和加工方式?jīng)Q定），,將（5）代入，且當(dāng)時(shí)可得： （6）式中，為金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。2.2 肺活量測量原理與計(jì)將氣壓傳感器置于已知截面積的細(xì)管中，在被測者向管中吹氣時(shí)，便可通過個(gè)時(shí)刻的氣壓與流速的關(guān)系的出相應(yīng)的氣體流速，再結(jié)合測量時(shí)間計(jì)算得出氣體總流量。測量的原理框圖如下：氣體壓力氣體流速氣體流量根據(jù)流體力學(xué)

14、知識(shí)，流量，（是測試管的截面積，是氣體的流速）,而(為壓力)，因而，積分可以經(jīng)過多次的累加實(shí)現(xiàn)。（是一個(gè)調(diào)節(jié)系數(shù)）2.3 身高測量原理與計(jì)算本設(shè)計(jì)以超聲波測距，利用脈沖回波法測量距離。當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，接收探頭就會(huì)接收到返回的超聲波。因此只要測定超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間,那么超聲波從探頭發(fā)射到達(dá)反射面的時(shí)間為/2，從超聲波探頭到反射面之間的距離,公式如下：（=331.4m/s）具體如下所示： 超聲波探頭三 電路與程序設(shè)計(jì) 3.1 電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以AT89C52單片機(jī)為主控制器，主要包括：基于IC522的非接觸式IC卡讀寫模塊，基于超聲波傳感器的測身高模塊，基于重力

15、傳感器的測體重模塊，基于氣體壓力傳感器的肺活量測試模塊，12864液晶的顯示模塊和紅外遙控器。同時(shí)，該系統(tǒng)還擴(kuò)展了上位機(jī)功能和紅外線遙控人機(jī)交互功能，可以把個(gè)人信息及測量結(jié)果在基于安卓的平板電腦上顯示并導(dǎo)出。3.1.1 系統(tǒng)電路圖。詳見附錄A(1)3.1.2 單元電路設(shè)計(jì)控制模塊：采用AT89C52單片機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要作用是利用控制程序?qū)ο到y(tǒng)各部分發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的程序控制。詳見附錄A(2)IC卡模塊：基于IC522的非接觸式IC卡讀寫模塊，通過射頻電磁感應(yīng)讀取持卡人信息。詳見附錄A(3)肺活量測量模塊：采用MPX2010DP氣體壓力傳感器測量和由LM324集成運(yùn)放構(gòu)成

16、的放大電路，將人呼出的氣體大小轉(zhuǎn)換成電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理測量人體肺活量。詳見附錄A(4)稱重測量模塊：采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器和hx711 A/D，將壓力信息轉(zhuǎn)換成電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理測量人體體重。詳見附錄A(5)身高測量模塊：基于超聲波傳感器的測身高模塊，利用超聲波測距原理測量人體身高。詳見附錄A(6)3.2 程序的設(shè)計(jì)3.2.1 軟件所實(shí)現(xiàn)的功能讀IC卡、身高測量、稱重測量、肺活量測量、顯示測量結(jié)果、紅外線遙控。3.2.2 軟件流程圖軟件流程圖詳見附錄B(1)。部分源程序詳見附錄B(2)。四 測試方案與測試結(jié)果4.1 測試儀表與工具電源、數(shù)字示波器、萬用表、砝碼、卷

17、尺,1000ml針筒。4.2 測試方法根據(jù)基本要求，開啟電源，依次進(jìn)行讀卡、測量身高、體重和肺活量。為了提高準(zhǔn)確性，多測幾次求平均值。校正完數(shù)據(jù)后，根據(jù)題目要求進(jìn)行發(fā)揮部分測試，將所測信息通過無線通信傳輸?shù)交诎沧康钠桨咫娔X上并顯示和導(dǎo)出。4.3 測試結(jié)果及分析4.3.1測試結(jié)果（1）身高測量測試標(biāo)號 123456標(biāo)準(zhǔn)值（mm）155516021666172218021845測量值(mm)155716031665172518021844誤差值（mm）+2+1-1+30-1（2） 體重測量測試標(biāo)號 123456標(biāo)準(zhǔn)值（kg）40.0055.0060.0070.0075.0080.00測量值 (k

18、g)40.0554.9460.0770.0575.9880.02誤差值（kg）+0.05-0.06+0.07+0.05-0.02+0.02(3) 肺活量測量測試標(biāo)號 123456標(biāo)準(zhǔn)值（ml）3302.34211.74522.05011.05480.16023.1測量值 (ml)3302.64211.14522.75011.55480.36023.9誤差值（ml）+0.3-0.6+0.7+0.5+0.2+0.84.3.2 測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，通過對身高、體重、肺活量的測量值與實(shí)際值的比較，發(fā)現(xiàn)測量值在誤差允許范圍內(nèi)。所測數(shù)據(jù)通過無線通信能夠在基于安卓平板電腦顯示出來。五 結(jié)束語 在

19、本次設(shè)計(jì)大賽中，我們小組成員分工明確，緊密合作，不但完成了題目的基本要求部分，發(fā)揮部分也有所突破，學(xué)習(xí)和鞏固專業(yè)基礎(chǔ)的同時(shí)，也加深了了團(tuán)隊(duì)合作，培養(yǎng)了吃苦耐勞、知難而上的品質(zhì)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟件的調(diào)試，硬件的運(yùn)用方面得到了很好鍛煉，提高了我們分析問題、解決問題的能力。通過這次比賽，我們獲益匪淺，也深刻體會(huì)到：實(shí)踐是理論運(yùn)用的最好檢驗(yàn)！由于我們自身水平有限，時(shí)間緊張等因素，本作品在設(shè)計(jì)上還存在許多值得改進(jìn)和優(yōu)化的地方，在以后的學(xué)習(xí)中，我們會(huì)更加勤謹(jǐn)，不斷改進(jìn)，在此，感謝和期待各位指導(dǎo)老師和評委老師的指導(dǎo)和建議！參考文獻(xiàn)【1】電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分.康華光 .高等教育出版社. 2006【2】電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分.康華光. 高等教育出版社. 2006【3】單片機(jī)原理與應(yīng)用.張毅剛 . 高等教育出版社 . 2012【4】 計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)與Protel DXP.李俊婷. 高等教育出版社 .2010附錄A （1） 系統(tǒng)總電路圖 （2） AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)（3）非接觸式IC卡電路圖 （4）肺活量測量模塊電路圖（5）稱重測量模塊電路圖（6） 身高測量模塊電路圖附錄B（1） 軟件主流程圖開始器件和數(shù)據(jù)初始化紅外遙控器開機(jī)畫面顯示掃