【正文】 立 按 鍵液 晶 屏 模 塊串 口 通 信 模 塊9 V 直 流 電 壓上 位 機(jī)蜂 鳴 器 模 塊壓 力 傳 感 器 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 身高體重測(cè)量儀的工作過程 本設(shè)計(jì)開機(jī)后液晶屏幕上會(huì)顯示當(dāng)前的重量以及身高信息，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上留有四個(gè)獨(dú)立按鍵，若按下電路板上的“發(fā)送”按鍵系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前的身高和體 重信息編號(hào)為一號(hào)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，若再次按下“發(fā)送”按鍵則系統(tǒng)會(huì)將編號(hào)自動(dòng)加一并再次向上位機(jī)發(fā)送最新更新的身高和體重信息。若按下電路板上的“保持”按鍵系統(tǒng)會(huì)將當(dāng)前測(cè)量的值顯示在液晶屏幕上并保持不變同時(shí)液晶會(huì)顯示當(dāng)前處于保持顯示的狀態(tài)，在保持狀態(tài)下再次按下“保持”按鍵系統(tǒng)會(huì)取消保持狀態(tài)返回實(shí)時(shí)測(cè)量的狀態(tài)，同時(shí)液晶顯示回到正常測(cè)量的顯示界面。若在測(cè)量狀態(tài)下按下“校準(zhǔn) +”按鍵測(cè)量的重量值會(huì)加 ，若按下“校準(zhǔn) ”按鍵測(cè)量的重量值會(huì)減 ，這兩個(gè)按鍵用于人體秤的校準(zhǔn)操作 ,即在沒有被測(cè)物體放在稱上時(shí)可 將顯示值調(diào)節(jié)為 0kg，用以消除不確定性因素所引起的誤差。 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 3 身高體重測(cè)量儀的硬件電路設(shè)計(jì) 身高體重測(cè)量儀的核心器件是 STC89C52 單片機(jī)，硬件電路包括 電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、 ZX12864R 液晶屏電路 、 串口通信電路、 獨(dú)立按鍵電路、 蜂鳴器 電路 、超聲波模塊接口電路、 AD轉(zhuǎn)換器接口電路以及由四個(gè)應(yīng)變片組成的全橋電路。 電源電路 電源是一個(gè)系統(tǒng)能正常工作的基礎(chǔ)，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供可靠的能源保證，因此電源模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用 LM2940 三端穩(wěn)壓芯片， LM2940是一款三端低壓型穩(wěn)壓器，最大輸出電流為 1A，最大輸入電壓 26V, 內(nèi)部含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路 [4]，輸出電壓為 5v。由于其電路簡(jiǎn)單且在本設(shè)計(jì)中單片機(jī)以及其他器件的工作電壓均是 5V，所以本設(shè)計(jì)的電源部分采用 LM2940 芯片作為穩(wěn)壓芯片，電源電路如圖 31 所示。 圖 31 電源電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 STC89C52RC 單片機(jī)與傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)相比具有速度高、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、開發(fā)容易等特點(diǎn)，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)。 ISP（在系統(tǒng)可編程）不需要專用的下載器，可以通過串口（ RxD/,TxD/）下載用戶編寫的程序到單片機(jī)中。STC89C52RC 片上集成了 512 字節(jié) RAM 和 8k 字節(jié)的用戶程序存儲(chǔ)空間 [5]，用戶向其寫入程序即可執(zhí)行相應(yīng)的功能。 單片機(jī)的第 18 和 19引腳外接晶振，構(gòu)成時(shí)鐘電路， C7 和 C8是兩個(gè) 30pF 的瓷片電容對(duì)晶振起微調(diào)的作用。當(dāng) EA 端接高電平時(shí)，單片機(jī)則執(zhí)行內(nèi)部 ROM 中的指令。通用 IO口 P P P3 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，在本設(shè)計(jì)中 P0 作為液晶的數(shù)據(jù)總線接口，所以需外加上拉 電阻。 VCC 引腳為單片機(jī)的電源正極接 5V 電源電壓， GND 為單片機(jī)的電源地。由上拉電阻、時(shí)鐘電路、電源電路構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 32 所示。 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 串口通信電路 本設(shè)計(jì)中程序的燒錄以及系統(tǒng)要與上位機(jī)進(jìn)行通信所以本設(shè)計(jì)還包含串口通信電路，其主要器件是 MAX232 芯片。標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 電平比較高，而常用的 TTL 電平最高為 5V,如果需要通信那么在硬件連接上必須進(jìn)行兩種電平的轉(zhuǎn)換。電腦 USB 口輸出電壓為 12V，如果直接與單片機(jī)相連會(huì)燒壞單片機(jī)及周 圍器件，所以本設(shè)計(jì)選用 MAX232 芯片來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 MAX232 的供電電壓為 5V，外圍電路簡(jiǎn)單只有幾個(gè) 104 瓷片電容。 MAX232 芯片的 13腳（ R1in）、 12腳（ R1out）、 11 腳（ T1in）、 14 腳（ T1out）構(gòu)成了該芯片的第一數(shù)據(jù)通道。8 腳（ R2in）、 9 腳（ R2out）、 10 腳（ T2in）、 7 腳（ T2out）構(gòu)成第二數(shù)據(jù)通道。 TTL 電平數(shù)據(jù)從 T1in、 T2in 輸入經(jīng) MAX232 芯片轉(zhuǎn)換成 RS232 電平數(shù)據(jù)后從 T1out、 T2out 輸出。RS232 數(shù)據(jù)從 R1in、 R2in 輸入到 MAX232 芯片轉(zhuǎn) 換成 TTL 數(shù)據(jù)后從 R1out、 R2out 輸出 [6]。串口通信電路原理圖如圖 33所示。 圖 33 串口通信電路 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 超聲波模塊接口電路 本設(shè)計(jì)使用 HCSR04 超聲波模塊來測(cè)量人體的身高，該模塊共有四個(gè)引腳，其中 1 腳為電源正極，其典型的工作電壓為 5V， 4 腳為電源地。第二腳 Trig 為控制端口用于控制超聲波脈沖的發(fā)射， 3 腳為超聲波脈沖接收端，當(dāng)模塊接收到超聲波脈沖后該引腳的電平會(huì)發(fā)生變化 [7]，所以這兩個(gè)引腳也與單片機(jī)的普通 IO 口相連。超聲波模塊接口電路如圖34所示。 圖 34 超聲波模塊 接口電路 獨(dú)立按鍵電路 單片機(jī) P P P3 端口是弱上拉端口，即 P P P3端口內(nèi)部帶有上拉電阻，所以單片機(jī)復(fù)位后這幾組端口輸出均為高電平 [8]。 本設(shè)計(jì)的按鍵接口如圖 35 所示，在正常情況下按鍵所接的引腳均為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)單片機(jī)的引腳與電源地相連即其輸入變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)通過檢測(cè)引腳上的電平變化即可以檢測(cè)按鍵是否按下 [9]。獨(dú)立按鍵電路如圖 35所示。 圖 35 獨(dú)立按鍵電路 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 液晶屏電路 本設(shè)計(jì)采用的是 ZX12864R 液晶模塊。 ZX12864R 液晶顯示模塊內(nèi)置 128 個(gè)字 符（ 8X16點(diǎn)陣）、 8192 個(gè)中文漢字（ 16X16 點(diǎn)陣）及 64X256 點(diǎn)陣顯示 RAM（ GDRAM），可以顯示漢字或者圖形。數(shù)據(jù)總線可選擇 8位或 4位并行 /3 位串行，電源電壓 ，具有光標(biāo)顯示、睡眠模式、自定義字符、畫面移位等功能。 ZX12864R液晶屏模塊的第 1腳 GND 為模塊的電源地，第 2腳 VCC 為電源正極，兩個(gè)電源引腳分別接在電源模塊的 5V 輸出上。第 3腳 V0 為對(duì)比度調(diào)節(jié)輸入?yún)⒖茧妷?，在本設(shè)計(jì)中將其接在一個(gè)電位器的滑動(dòng)端，通過調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)其滑動(dòng)端輸出電壓，從而達(dá)到了調(diào)節(jié)液晶對(duì)比度的目的。第 4腳 RS 為并行的指令 /數(shù)據(jù)選擇信號(hào)，在串行模式下為片選信號(hào)。第 5 腳 RW 為并行的讀寫選擇端，串行模式下為數(shù)據(jù)端口。第 6 腳 E 為并行的使能信號(hào)，在串行模式下做為同步時(shí)鐘。第 7 到第 14 引腳為八位并行數(shù)據(jù)端口，在本設(shè)計(jì)中液晶的工作模式為 8 位并行模式，所以這八個(gè)引腳與單片機(jī)的 P0 口相連。第 15 腳 PSB 為并 /串行接口選擇，輸入高電平為并行模式，輸入低電平串行模式。第 17 腳 RST 為復(fù)位引腳低電平有效。第 19 引腳 BLA 和第 20 引腳 BLK 分別是液晶背光燈的正負(fù)極，在本設(shè)計(jì)中將其直接接到了電源的正負(fù)極上 [2]。第 16腳和第 18 引腳 空接。液晶屏電路原理圖如圖 36所示。 圖 36 液晶屏模塊 電路 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 蜂鳴器電路 蜂鳴器是一種電子訊響器，本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器作為提示設(shè)備，用于在按鍵按下或進(jìn)行其他操作時(shí)發(fā)出提示音。蜂鳴器由單片機(jī)的普通 IO 端口控制，驅(qū)動(dòng)電路主要是一個(gè) PNP型三極管對(duì)電流進(jìn)行放大來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作 [10]。其電路原理圖如圖 37 所示。 圖 37 蜂鳴器 電路 HX711 AD 轉(zhuǎn)換器模塊接口電路 本設(shè)計(jì)的 AD 轉(zhuǎn)換器采用 HX711 模塊， HX711 AD 轉(zhuǎn)換器是一款專為電子秤而設(shè)計(jì)的高精度 24 位 AD 轉(zhuǎn)換器 芯片。模塊內(nèi)部集成了時(shí)鐘電路、穩(wěn)壓電源等外圍電路，具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、集成度高等特點(diǎn)。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部全橋電路提供差分電壓，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)上無需另外的模擬電源。兩路可選擇差分輸入，通道 A 模擬差分輸入可直接與全橋電路的差分輸出端相連。由于全橋電路輸出的差分電壓信號(hào)比較小， HX711 芯片還內(nèi)置了差分信號(hào)放大電路，芯片內(nèi)部有兩個(gè)轉(zhuǎn)換通道， A 通道的可編程增益較大，可以選擇 128 或 64。這些增益所對(duì)應(yīng)的滿量程差分輸入電壓分別是177。 20mV 或177。 40mV，本設(shè)計(jì)中使用的是 HX711 模塊的 A通道。串行通信管腳由 SCK 和 DT 組成， DT為數(shù)據(jù)輸出引腳， SCK 為時(shí)鐘信號(hào)輸入端 [11]。 HX711 AD 轉(zhuǎn)換器模塊接口電路如圖 38 所示。 圖 38 HX711 模塊接口電路 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 全橋電路 本設(shè)計(jì)使用四個(gè)壓力傳感器組成全橋電路，每個(gè)傳感器的內(nèi)部有兩個(gè) 500 歐姆的壓力應(yīng)變片。當(dāng)傳感器空載時(shí)每個(gè)傳感器內(nèi)部的兩個(gè)電阻的阻值均相同，當(dāng)有負(fù)載時(shí)傳感器內(nèi)部的兩個(gè)電阻的阻值一個(gè)增大一個(gè)減小但總阻值保持不變。每個(gè)傳感器的量程為 50kg，所以本設(shè)計(jì)的量程為 50kgx4=200kg。 如圖 391 為全橋電路實(shí)物連 接圖， E+ 和 E 為差分電壓的輸入端，接在 HX711 AD轉(zhuǎn)換器模塊的電源輸出上。 A+ 和 A 為全橋電路差分信號(hào)輸出端，接在 HX711 AD 轉(zhuǎn)換器模塊的 A 通道的差分信號(hào)輸入端。當(dāng)傳感器空載時(shí)四個(gè)傳感器內(nèi)部的兩個(gè)電阻阻值均相同，對(duì)應(yīng)到 圖 392 全橋電路原理圖中 R R R R4 的阻值均相同，所以 A+ 和 A 之間的差分電壓為零。若在傳感器上放上負(fù)載則圖 391 中每個(gè)傳感器白色信號(hào)線與紅色信號(hào)線之間的電阻和紅色信號(hào)線與黑色信號(hào)線之間的電阻一個(gè)增大一個(gè)減小，對(duì)應(yīng)到 圖 392 全橋電路原理圖中對(duì)角線的兩 個(gè)電阻阻值的變化趨勢(shì)相同，而相鄰的兩個(gè)電阻阻值變化趨勢(shì)相反，從而 A+ 和 A 間的差分電壓輸出增大，所以負(fù)載的重量與輸出的差分電壓為線性關(guān)系。 圖 391 全橋電路實(shí)物連接圖 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 圖 392 全橋電路原理圖 總體硬件電路及其工作原理 整個(gè)系統(tǒng)由 9V 適配器供電經(jīng)過 LM2940 穩(wěn)壓模塊輸出 5V 電源為整個(gè)系統(tǒng)供電，上電后電源指示燈點(diǎn)亮。上電開機(jī)后若四個(gè)應(yīng)變片所受壓力發(fā)生變化那么全橋電路中各個(gè)電阻的阻值也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而差分輸出就會(huì)發(fā)生變化，且與重量呈線性關(guān)系，差分輸出連接到 AD 轉(zhuǎn)換器 的 A 通道上， AD 轉(zhuǎn)換器將差分輸出電壓由模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量并通過固定的通信協(xié)議傳送到單片機(jī)。超聲波傳感器模塊則直接與單片機(jī)相連，通過 IO 口控制其產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)和讀取返回信號(hào)。單片機(jī)將所得到的信息處理后通固定的讀寫時(shí)序控制液晶模塊顯示。通過檢測(cè)單片機(jī)引腳的電平可以檢測(cè)按鍵是否按下從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送、保持、校準(zhǔn)等功能，當(dāng)按鍵按下時(shí)由單片機(jī)控制的蜂鳴器也會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的提示音。當(dāng)“發(fā)送”按鍵按下時(shí)單片機(jī)會(huì)通過 MAX232 電路將電平轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)上。電路的實(shí)物如圖310 所示。 圖 310 電路的實(shí)物圖 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 4 軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)邏輯相對(duì)復(fù)雜且代碼量較大不宜使用匯編語言，所以采用 C語言進(jìn)行編程，程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，即將不同模塊的程序封裝到不同的 C文件中再將其中的函數(shù)、所用到的頭文件、變量等在對(duì)應(yīng)的頭文件中聲明。 軟件部分包括主程序、系統(tǒng)的初始化程序、HX711 AD 轉(zhuǎn)換器通信程序、按鍵檢測(cè)程序、超聲波信號(hào)發(fā)射及接收程序、液晶屏幕驅(qū)動(dòng)程序。 主函數(shù)的編寫 主程序中將各個(gè)模塊初始化完成后進(jìn)入循環(huán)，在主程序中主要包含了兩個(gè)狀態(tài)分別是正常測(cè)量的狀態(tài)和保持顯示的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到“保持”按鍵按下后則在兩個(gè)狀態(tài)下相互跳轉(zhuǎn) 。在正常測(cè)量狀態(tài)下依次檢測(cè)“校準(zhǔn)”“發(fā)送”“保持”按鍵是否按下，若“校準(zhǔn)”和“發(fā)送”按鍵按下單片機(jī)則執(zhí)行相應(yīng)的操作，若“保持”按鍵按下則進(jìn)入保持狀態(tài)。在保持狀態(tài)下則一直檢測(cè)“保持”按鍵是否再次按下，若按下則返回正常測(cè)量的狀態(tài)。在正常測(cè)量狀態(tài)下若沒有按鍵按下那么系統(tǒng)則一直測(cè)量并顯示當(dāng)前的重量和高度值。主程序的流程圖如圖 41 所示。 開 始初 始 化 液 晶 、串 口 、 定 時(shí) 器校 準(zhǔn) 鍵 檢 測(cè)保 持 鍵 檢 測(cè)讀 取 重 量和 高 度 并 顯 示保 持 鍵 檢 測(cè)電 子 稱 校 準(zhǔn)發(fā) 送 信 息到 上 位 機(jī)保 持 模 式發(fā) 送 鍵 檢 測(cè)否否否是是是否是 圖 41 主 函數(shù) 的流程圖 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 主程序：