基于單片機的稱重控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 此芯片將會減少很多外圍電路的設計工作，該芯片 具有 非常 高 的 集成度 ， 抗干擾性 能 也非常 強 。該 芯片的選用 降低了電子秤的整機成本， 同時 也大大簡化了數據處理 電路部分的 設計，提高了整機的性能 ，增強 了可靠性。 單片機對 該芯片 的 編程 也 非常簡單，芯片內部的寄存器 是 不需要基于 單片機的稱重控制系統設計 5 進行編程的 ，數據 和控制 信號 直接通過芯片引腳驅動 。 模擬信號 的 輸入 有 通道 A 和 通道 B 兩個 通道 都有 對 應 的 可編程 信號 放大器 ， 。 其中 A 通道 的增益 可以 通過編程在 128 和 64 之間方便 地切換 ， 128 增益 時最大的 輸入 信號 幅值為 177。20mV ， 64 增益 時最大輸入 信號 電壓 幅值 為177。40mV 。 B 通道 的 增益 值 是固定的 為 64， 一般可以 利用 B通道進行系統 檢測。 由于 芯片內 部集成 了優質的 電源 模塊， 因此稱重 傳感器 以及 芯片內 部 的 A/D 可以 從芯片 直接 獲取 電源， 因此 系統 電路 板上無需 額 外的模擬電源 供電 ，非常 地 方便 。 另外片內 集成了穩定的時鐘振蕩 電路 ， 芯片 外 部 不需要 再 接 任何 器件 。當系統 通 電 時， HX711 芯片會完成 復位 的 過程， 不需要額外的初始化程序。 人機 交互界面 采用 4*4 薄膜型矩陣鍵 盤來實現數據 的輸入和相關功能的切換 ，顯示模塊選取的 是 12864 液晶， 該 液晶 具有中英文顯示 的 能 力 ，顯示重量，單價，總價，以及時間 和 溫度 ，顯示效果 清晰 醒目。該液晶是 晶訊聯公司 產 的 128*64 漢字 液晶 屏 ，該 液晶 既可以當 普通的圖像型液晶顯示模塊使用 ，同時 內置中文 字庫 IC， 編程者 可以從字庫 IC 中 直接讀 取內部 字庫的字形 數據 ， 然后再 寫入到 12864 的 驅動 IC中， 漢字就可以 顯示出 來 了 。 輔助 功能模塊 部分 ，時鐘 模塊 選擇了 現在非常 流行 常用的 DS1302， 溫度檢測 模塊是 高精度數字溫度傳感器 DS18B20。 至此 本系統的主要 設計 方案就 已經 介紹完了，系統 的 設計總體上 優先 采用 了目前比較成熟和常見的方案，這樣系統就 可以 具有 很高的穩定性和可靠性，同時也可以有效地降低系統的實現成本。 各個模塊選型的 分析 系統 要求單片機控制 稱重 傳感器的 數據 采集，以及 控制 A/D 轉換 的時序，同時 還 需要 控制擴展功能的 時鐘 ，溫度和 液晶等模塊 的工作時序 。 據此 分析 ， 51 單片機 ， AVR 單片機 ， MSP430系列 單片機 ， PIC 單片機 以及 ARM 單片機均 符合 系統的設計要求 。 但是 考慮到 系統 對 單片機的處 理 速度 和系統 資源 都 沒有特別高的要求， 因此系統 從開 發 難度和 周期 以及實現成本考慮宜 于采用成本低廉 且技術成熟 的 單片機，綜合考慮決定選用 51 單片機 ， 51系列 單片機 是 目前 是應用最 為 廣泛的 單片機 之一， 技術比較成熟 ， 開發 難度 適中。 51 系列 單片機是 由 最初的 Intel8031 單片機 發展 而來的一系列單片機。 剛開始 的 51 單片機 程序 燒寫 非常麻煩，之后閃存技術 發展 迅速 發展， Flash 的引入使 51 單片機 開始快速 發 展，逐漸 成為 非常經典 的 8位機 ， 其應用范圍非常 之 廣 。 其 中 ATMEL 公司 的 AT89 系列 51單片機最具 代表性 ， 曾經 一度十分 地風 靡 。 之后許多 公司 紛紛 推出 自己 的 51 內核單片機 ， 其中 國內的基于 單片機的稱重控制系統設計 6 佼佼者便是宏晶科技，他們生產的增強型 51 單片機以 其強大的性能和低廉的價格深受開發者的喜愛和追捧，本系統 選用的 單片機便是出自宏晶公司， 可以 預見今后很長一段時間 51 單片機 仍 將占有大量市場。 本系統 之所以 最終選擇了 STC89C52 是 因為 STC89C52 是一種 經典 的 低功耗、高性能 的 8 位單片機 ， 目前 使用范圍非常廣。 STC89C52 內置 8K 字節 的 在系統可編程 的 flash rom。 STC89C52采 用 傳統 51 內核 的同時又有 非常 多 項 有益 的改進 ， 可謂 是舊瓶 裝新酒，使得 STC89C52 成為 一款真正的增強型單片機 ，使其 成為 嵌入式控制應用 首選的 單片機之一。 STC89C52RC 單片機 的 特 性 ： ① 屬于 增強型 的 8051 系列 單片機， 其 指令 系統 與 經典的 51 單片機 完全兼容 。 ② 寬 工作電壓： 分為 3V單片機 和 5V單片機 。 ③ 正常 工作 頻率 最高可達 48MHZ,同 工作 頻率 下代碼 執行效率 大約 為 傳統 8051 的 兩倍 。 ④ 用戶應用程序 存儲 空間為 8K 字節 。 ⑤ 片內經常 高達 512Byte 的 用戶數據 存儲空間 。 ⑥ P0到 P3 總四組 32 個 通用 I/O 口 ， 四組 I/O 口 均是 準雙向口 ， 其中 P0口 由于內部無 上拉電阻 ， 因此 作為 普通 I/O 口 使 用 ，需 要 外部加上拉電阻 ， 當 P0 口 為 總線用時，無需 上拉電阻。 ⑦ 開發者 可以直接通過 和 實現 串口 下載 程序。 不用 像其他單片機那樣 還 需 要 專用 編程器 或 仿真器 ， 非常迅速 和便捷。 ⑧ 片內集成 有 2KB的 EEPROM。 ⑨ 總 共 有 3 個 16 位 定時器 /計數器 。 ⑩ 總共 有 4 路 外部中斷 ， 可以 選擇 下降 沿 觸發 或低電平觸發 ， 此外 單片機進入節能 模式 時 ，也可 被 外部中斷 以 低電平觸發 的 中斷方式 所 喚醒 。 STC89C52 的 實物圖如 23 圖 23 STC89C52實物 圖 STC89C52 的 管 腳 分布 如圖 24 基于 單片機的稱重控制系統設計 7 圖 24 STC89C52引腳 示意圖 目前 的 稱重傳感器 按 其 力電 轉換 的 方式 大致 可以 分為電阻應變式 ，電容 應變式， 液壓 轉換式 ， 光電 轉換 式 ， 壓電 感應 式 以及新興 的 陀螺儀式 等 。下面 就將各種傳感器的工作原理和 適用范圍 一一做以介紹。 ① 光電式傳感器 ， 主要 有 光柵 與 碼盤 這 兩 類 。 Ⅰ .光柵式傳感器 有 兩塊光柵，其中一塊是固 定，還有一塊 位于 表盤軸可移動。 當 承重臺上 放有待測 物時 ， 被測物 的 重力通過 杠桿 作用 在 表盤軸 上 從而使其 旋轉， 則 表盤軸上的 移動光柵 也隨之 轉動， 光柵 產生的 莫爾條紋也 會 移動。 再 通過 光電管 換 算出 發生移動 的 莫爾條紋 的 數量，從 而 把 轉軸 的 角 度 位移轉換成 了 對應 的光電信號。 我們通過 測 量 光柵 的 轉動角 度 ， 就可以 最終被測物 的 實際 質量。 Ⅱ .碼盤式傳感器 也是 通過 把 碼盤的 轉動 角度轉換成光電信號來工作的。 被測物 體 放 在承重臺上 時 重力作用 施加于 杠桿使表盤 轉 軸轉 動 ， 和 轉軸相連的 碼盤 亦 隨之 轉動 。光電池 可以 把 光信號轉換成電信號， 因此 碼盤轉動角度 和 光電池 的 電 信號 呈 一定關系，輸出的電信號 經 由數字 化處理， 就可以 得到待測物的實際質量 。 以前 的 機電結合秤上 光電式傳感器曾 經 被大量 使用 。 ② 壓磁式稱重傳感器是 通過檢測 鐵芯上繞的線圈的阻抗變化， 間接 得到待測物質量的 。我們知道 鐵磁材料的磁導系數 與 磁阻 會 隨著其所受外力的大小發生相應的改變 ， 而磁 導系數和磁阻的變化會 引起 線圈阻抗 的 變化， 也可以 說 線圈阻抗的變化與 外力 大小 成一定 的 比例關系， 我們 通過檢 測 線圈阻抗的變化， 就 可 以 得到外力 的 大小， 進 而求出 待測 物體的質量 。 ③ 壓電式稱重傳感器 是 通過 晶體 表面 電荷的轉移現象測定物體質量的。 一定方向 的 外 力 作用 與某些 晶體介質時 ， 晶體 內部 的 正負電荷 會發生相反 方向的移動 ， 晶體 表面 的 兩個方向就聚集了基于 單片機的稱重控制系統設計 8 大量 符號 相反 的 束縛電荷， 這些 束縛電荷 的 電荷密度與 外力的 大小成正比關系 ， [18]據此可以得到物體的實際質量。 ④ 液壓式稱重傳感器 的 量程比較大，一般應用 于 工業場合。 它的原理 也比較簡單， 是 通過其內部液壓油的 壓強 變化達到測量目的的。 當 中午作用于液壓油 時 ，液壓油會受到壓縮，所以其 壓強 會 增大，增大的程度 與 物體重力 有關 。 我們 可以 通過 測出壓 強的 變化 ， 來 確定被測物的質量。液壓式稱重傳感器 的 結構 相對 簡單， 穩定性 好 ，但 是 其 準確度 很低 。 ⑤ 電容 應變 式稱重傳感器 的 工作原理 是 彈性體 上 固定有電容器， 當 被測 物體 作用 于彈性體時，彈性體會發生形變，從而引起電容極板間距的變化。 我們知道 電容器的電容大小和其 極 板間距有關 ，當 電容發生變化時 ， 電路 的震蕩頻 率會發生變化。 通過計算 得知 振蕩電路的振蕩頻率 與電容 器的 極板間距 呈 正比例 的 關系 。 很明顯 ， 電容器 極板間距的變化和待測物的質量有關， 通過 測量 電路的 變化 量 。 我們 就 可 以 求出被測物的 實際 質量。電容式稱重傳感器 價格 便宜 ， 功率消耗低 ，精確度在 1/200 和 /500 之間 。 ⑥ 振動式稱重傳感器 的 金屬絲 或 金屬 膜 的 尺寸 ， 材 質 和 密度 都 一定時， 其固有 頻率就 只 與其受到 的 外部力的大小有關。 不同的 待測物施加的 重力也不同 ，金屬絲 的 振動頻率也就 會 發生不同的 改變， 我們 設法用 頻 率 測量儀 器 測出 金屬 絲震蕩頻率的 改變 ， 就 可求得 待測物 的 質量。振動式稱重傳感器 分為 音叉式 以及 振弦式 。 Ⅰ .振弦式稱重傳感器的 核心部分 是 弦絲。 弦絲 在 傳感器中是以 V字形固定的。 當有被測物 作用 于 弦絲 時，弦絲的 V形 交 匯 點 會 向下 移動 ， 與此同時 弦的 左半部 拉力 增大， 弦的 右 半部 拉力減小。弦的 左右 兩部分的 固有頻率 都會 發生 就 會發生 變化 ，兩部分 的頻率之差 和 物體的質量 有一定關系 ， 我們 得到這個頻率差 就 可 以 求出被測物的質量。振弦式傳感器的 精確度高達 到 ， 其 量 程可達 幾百千克 的 級別 ， 優勢 比較明顯。 但 與此同時 其 結構 過于 復雜，加工難度 非常 大， 因此 造價 很 高 ， 只適用于特殊場合。 Ⅱ .壓電元件 固定 在音叉的頂部 ， 壓電元件 可以 隨音叉 一起 振動， 通過壓電 元件可以測出音叉的 固有 振蕩頻率。當音叉受 到 待測物的重力作用時 其 固有頻率 會 增 大 ， 頻率增大 的量 與 重 力 大小 的平方根成正比。 可見音叉 固有頻率的變化 量 反映了物體的質量大小 ， 求出 音叉頻率的變化量就可以 得到 物 體 的 質量。音叉式稱重傳感器 功耗低 ，計量準確度 高 ， 可惜最大 量程只有10kg。 ⑦ 陀螺儀式稱重傳感器是 最 近幾年來 新 興 的 一種新型 數字 型稱重傳感器 。這種 傳感器的工作原理利用了陀螺的進動 特征 與力矩效應 ， 陀螺儀式稱重傳感器 的 位移 與 物體作用力不在一個方向基于 單片機的稱重控制系統設計 9 上 ， 不必考慮 靜 態 平衡問題。 這種傳感器 幾乎 不存在 滯后 性 ， 線性 非常 好， 精度 高， 響應 速度快，抗干擾能力 很 強。 陀螺儀式稱重傳感器 最大 的特 點 是 它 輸出的信號 直接就是 數字型的，可供單片機直接處理，無需再經過 模 數轉換過程，使用起來非常方便。 ⑧ 電阻應變式稱重傳感器 內部的 彈性體上 有 四個電阻應變計 ， 構成了 惠更斯電橋，待測物重力使 當 彈性體 產生形變 ， 其上 的 電阻應變計 的 電 阻發生不同的變化，電橋的平衡狀態 被 打破， 輸出 相應的電信號。 由于 輸出的電 信號 與物體的重力存在線性關系，所以 通過 后面 的 信號處理電路 測出 這個 電 信號 的 幅值 ， 就可以 測出 物體 的 實際 質量。 電阻應變式稱重傳感器的 量程范圍 很大 ， 最高 可稱量上千千克的 物體 ， 其 計量準確度 也比較 高。 電阻應變式稱重傳感器 結構簡單，可以 適應大部分的工作環境， 可靠性 也 較好。 因此 目前 這 種 稱重傳感器 得到了 非常廣泛的應用 。 綜上 所述， 反復 對比各類稱重傳感器后 可以 得出結論 ： 從 技術 成熟度，結構復雜程度，計量精確度和制造成本綜合考慮