【正文】 立 按 鍵液 晶 屏 模 塊串 口 通 信 模 塊9 V 直 流 電 壓上 位 機蜂 鳴 器 模 塊壓 力 傳 感 器 圖 21 系統(tǒng)設計框圖 鄭州鐵路職業(yè)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 3 身高體重測量儀的工作過程 本設計開機后液晶屏幕上會顯示當前的重量以及身高信息，系統(tǒng)在硬件設計上留有四個獨立按鍵，若按下電路板上的“發(fā)送”按鍵系統(tǒng)會將當前的身高和體 重信息編號為一號發(fā)送到上位機進行顯示，若再次按下“發(fā)送”按鍵則系統(tǒng)會將編號自動加一并再次向上位機發(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)會將當前測量的值顯示在液晶屏幕上并保持不變同時液晶會顯示當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)會取消保持狀態(tài)返回實時測量的狀態(tài)，同時液晶顯示回到正常測量的顯示界面。若在測量狀態(tài)下按下“校準 +”按鍵測量的重量值會加 ，若按下“校準 ”按鍵測量的重量值會減 ，這兩個按鍵用于人體秤的校準操作 ,即在沒有被測物體放在稱上時可 將顯示值調節(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)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 4 3 身高體重測量儀的硬件電路設計 身高體重測量儀的核心器件是 STC89C52 單片機，硬件電路包括 電源電路、單片機最小系統(tǒng)電路、 ZX12864R 液晶屏電路 、 串口通信電路、 獨立按鍵電路、 蜂鳴器 電路 、超聲波模塊接口電路、 AD轉換器接口電路以及由四個應變片組成的全橋電路。 電源電路 電源是一個系統(tǒng)能正常工作的基礎，為系統(tǒng)的運行提供可靠的能源保證，因此電源模塊的設計至關重要。本設計采用 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, 內部含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路 [4]，輸出電壓為 5v。由于其電路簡單且在本設計中單片機以及其他器件的工作電壓均是 5V，所以本設計的電源部分采用 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 單片機最小系統(tǒng)電路 STC89C52RC 單片機與傳統(tǒng)的 8051 系列單片機相比具有速度高、低功耗、抗干擾能力強、開發(fā)容易等特點，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機。 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中。STC89C52RC 片上集成了 512 字節(jié) RAM 和 8k 字節(jié)的用戶程序存儲空間 [5]，用戶向其寫入程序即可執(zhí)行相應的功能。 單片機的第 18 和 19引腳外接晶振，構成時鐘電路， C7 和 C8是兩個 30pF 的瓷片電容對晶振起微調的作用。當 EA 端接高電平時，單片機則執(zhí)行內部 ROM 中的指令。通用 IO口 P P P3 是準雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，在本設計中 P0 作為液晶的數(shù)據(jù)總線接口，所以需外加上拉 電阻。 VCC 引腳為單片機的電源正極接 5V 電源電壓， GND 為單片機的電源地。由上拉電阻、時鐘電路、電源電路構成了單片機的最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 32 所示。 鄭州鐵路職業(yè)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 5 圖 32 單片機最小系統(tǒng)電路 串口通信電路 本設計中程序的燒錄以及系統(tǒng)要與上位機進行通信所以本設計還包含串口通信電路，其主要器件是 MAX232 芯片。標準的 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行兩種電平的轉換。電腦 USB 口輸出電壓為 12V，如果直接與單片機相連會燒壞單片機及周 圍器件，所以本設計選用 MAX232 芯片來進行電平轉換。 MAX232 的供電電壓為 5V，外圍電路簡單只有幾個 104 瓷片電容。 MAX232 芯片的 13腳（ R1in）、 12腳（ R1out）、 11 腳（ T1in）、 14 腳（ T1out）構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 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)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 6 超聲波模塊接口電路 本設計使用 HCSR04 超聲波模塊來測量人體的身高，該模塊共有四個引腳，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，當模塊接收到超聲波脈沖后該引腳的電平會發(fā)生變化 [7]，所以這兩個引腳也與單片機的普通 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 獨立按鍵電路 單片機 P P P3 端口是弱上拉端口，即 P P P3端口內部帶有上拉電阻，所以單片機復位后這幾組端口輸出均為高電平 [8]。 本設計的按鍵接口如圖 35 所示，在正常情況下按鍵所接的引腳均為高電平，當按鍵按下時單片機的引腳與電源地相連即其輸入變?yōu)榈碗娖?，單片機通過檢測引腳上的電平變化即可以檢測按鍵是否按下 [9]。獨立按鍵電路如圖 35所示。 圖 35 獨立按鍵電路 鄭州鐵路職業(yè)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 7 液晶屏電路 本設計采用的是 ZX12864R 液晶模塊。 ZX12864R 液晶顯示模塊內置 128 個字 符（ 8X16點陣）、 8192 個中文漢字（ 16X16 點陣）及 64X256 點陣顯示 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，兩個電源引腳分別接在電源模塊的 5V 輸出上。第 3腳 V0 為對比度調節(jié)輸入?yún)⒖茧妷?，在本設計中將其接在一個電位器的滑動端，通過調節(jié)電位器可以調節(jié)其滑動端輸出電壓，從而達到了調節(jié)液晶對比度的目的。第 4腳 RS 為并行的指令 /數(shù)據(jù)選擇信號，在串行模式下為片選信號。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，在串行模式下做為同步時鐘。第 7 到第 14 引腳為八位并行數(shù)據(jù)端口，在本設計中液晶的工作模式為 8 位并行模式，所以這八個引腳與單片機的 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極，在本設計中將其直接接到了電源的正負極上 [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)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 8 蜂鳴器電路 蜂鳴器是一種電子訊響器，本設計采用蜂鳴器作為提示設備，用于在按鍵按下或進行其他操作時發(fā)出提示音。蜂鳴器由單片機的普通 IO 端口控制，驅動電路主要是一個 PNP型三極管對電流進行放大來驅動蜂鳴器工作 [10]。其電路原理圖如圖 37 所示。 圖 37 蜂鳴器 電路 HX711 AD 轉換器模塊接口電路 本設計的 AD 轉換器采用 HX711 模塊， HX711 AD 轉換器是一款專為電子秤而設計的高精度 24 位 AD 轉換器 芯片。模塊內部集成了時鐘電路、穩(wěn)壓電源等外圍電路，具有抗干擾能力強、響應速度快、集成度高等特點。芯片內提供的穩(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)設計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比較小， HX711 芯片還內置了差分信號放大電路，芯片內部有兩個轉換通道， A 通道的可編程增益較大，可以選擇 128 或 64。這些增益所對應的滿量程差分輸入電壓分別是177。 20mV 或177。 40mV，本設計中使用的是 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 為時鐘信號輸入端 [11]。 HX711 AD 轉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)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 9 全橋電路 本設計使用四個壓力傳感器組成全橋電路，每個傳感器的內部有兩個 500 歐姆的壓力應變片。當傳感器空載時每個傳感器內部的兩個電阻的阻值均相同，當有負載時傳感器內部的兩個電阻的阻值一個增大一個減小但總阻值保持不變。每個傳感器的量程為 50kg，所以本設計的量程為 50kgx4=200kg。 如圖 391 為全橋電路實物連 接圖， E+ 和 E 為差分電壓的輸入端，接在 HX711 AD轉換器模塊的電源輸出上。 A+ 和 A 為全橋電路差分信號輸出端，接在 HX711 AD 轉換器模塊的 A 通道的差分信號輸入端。當傳感器空載時四個傳感器內部的兩個電阻阻值均相同，對應到 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載則圖 391 中每個傳感器白色信號線與紅色信號線之間的電阻和紅色信號線與黑色信號線之間的電阻一個增大一個減小，對應到 圖 392 全橋電路原理圖中對角線的兩 個電阻阻值的變化趨勢相同，而相鄰的兩個電阻阻值變化趨勢相反，從而 A+ 和 A 間的差分電壓輸出增大，所以負載的重量與輸出的差分電壓為線性關系。 圖 391 全橋電路實物連接圖 鄭州鐵路職業(yè)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 10 圖 392 全橋電路原理圖 總體硬件電路及其工作原理 整個系統(tǒng)由 9V 適配器供電經(jīng)過 LM2940 穩(wěn)壓模塊輸出 5V 電源為整個系統(tǒng)供電，上電后電源指示燈點亮。上電開機后若四個應變片所受壓力發(fā)生變化那么全橋電路中各個電阻的阻值也會隨之發(fā)生變化，從而差分輸出就會發(fā)生變化，且與重量呈線性關系，差分輸出連接到 AD 轉換器 的 A 通道上， AD 轉換器將差分輸出電壓由模擬量轉化成數(shù)字量并通過固定的通信協(xié)議傳送到單片機。超聲波傳感器模塊則直接與單片機相連，通過 IO 口控制其產(chǎn)生激勵信號和讀取返回信號。單片機將所得到的信息處理后通固定的讀寫時序控制液晶模塊顯示。通過檢測單片機引腳的電平可以檢測按鍵是否按下從而實現(xiàn)發(fā)送、保持、校準等功能，當按鍵按下時由單片機控制的蜂鳴器也會發(fā)出對應的提示音。當“發(fā)送”按鍵按下時單片機會通過 MAX232 電路將電平轉換，再將數(shù)據(jù)傳送到上位機上。電路的實物如圖310 所示。 圖 310 電路的實物圖 鄭州鐵路職業(yè)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 11 4 軟件設計 本設計邏輯相對復雜且代碼量較大不宜使用匯編語言，所以采用 C語言進行編程，程序設計采用模塊化結構，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、變量等在對應的頭文件中聲明。 軟件部分包括主程序、系統(tǒng)的初始化程序、HX711 AD 轉換器通信程序、按鍵檢測程序、超聲波信號發(fā)射及接收程序、液晶屏幕驅動程序。 主函數(shù)的編寫 主程序中將各個模塊初始化完成后進入循環(huán)，在主程序中主要包含了兩個狀態(tài)分別是正常測量的狀態(tài)和保持顯示的狀態(tài)，當檢測到“保持”按鍵按下后則在兩個狀態(tài)下相互跳轉 。在正常測量狀態(tài)下依次檢測“校準”“發(fā)送”“保持”按鍵是否按下，若“校準”和“發(fā)送”按鍵按下單片機則執(zhí)行相應的操作，若“保持”按鍵按下則進入保持狀態(tài)。在保持狀態(tài)下則一直檢測“保持”按鍵是否再次按下，若按下則返回正常測量的狀態(tài)。在正常測量狀態(tài)下若沒有按鍵按下那么系統(tǒng)則一直測量并顯示當前的重量和高度值。主程序的流程圖如圖 41 所示。 開 始初 始 化 液 晶 、串 口 、 定 時 器校 準 鍵 檢 測保 持 鍵 檢 測讀 取 重 量和 高 度 并 顯 示保 持 鍵 檢 測電 子 稱 校 準發(fā) 送 信 息到 上 位 機保 持 模 式發(fā) 送 鍵 檢 測否否否是是是否是 圖 41 主 函數(shù) 的流程圖 鄭州鐵路職業(yè)技術學院 2020 屆自考本科生畢 業(yè)論文（設計） 12 主程序：