【正文】 .............................................. 30 附錄 （部分源程序） ......................................................................................................................... 29 基于 單片機的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計 1 第 1 章 前言 選擇課題的背景和意義 稱重技術(shù) 自古 歷來都受到 人們 的特別 重視 。 隨著現(xiàn)代發(fā)貿(mào)易 對稱重器具 要 求 的不斷提高 ，傳統(tǒng)機械式稱重器具 缺點也日漸顯露，比如 精度 不 高 ，工作效率 低 ，不能自動 計價等，尤其 是容易被無良商家利用充當其 作弊的工具。 電子稱重 技術(shù)雖然 已經(jīng) 得到了非常好的發(fā)展，但是 目前 的電子 稱重 器具依然有很大的提升空間，另外 人們對 電子秤 各項 性能 的 要求 也在 不斷 地 提高 。 電子稱重 工具 由 開始 的 機械 式 發(fā)展 到了 機電結(jié)合 式， 最終實現(xiàn)了 完 全 的 電子化， 同時 也 由單一功能 發(fā)展 到 了 多 種 功能 。此外諸如 商業(yè)貿(mào) 易 領(lǐng)域的稱重 和 計價 ， 電子元 件生產(chǎn)的計數(shù)稱 量 也 同樣不能 缺少 電子稱重裝置 的 。 改革開放 以來 ， 伴隨 著 國家 經(jīng)濟體制改革的 進程 ，電子 稱重工業(yè) 的 行業(yè)規(guī)模 ， 技術(shù)能力以及 在 我國 經(jīng)濟中的 作用 ， 已經(jīng) 發(fā)生了 變化 的 巨大，遠非昔 日 可 比?，F(xiàn)代電子 稱重 儀器 往往 需要和 電子計算機 相 組合，電子計算機的引入 ，大大 擴展了 電子稱重儀器的功能， 進 一步擴大 了其使用 范圍 。此外本 設(shè)計還具有友好的 人機 交互 界面 ，大大 提高 了 設(shè)備的易用性 和 實用 性， 4*4 薄膜 型矩陣 鍵盤 可以供用戶 方便地 輸入 單價 信息 ， 還可以用于 快速準確地校準 電子萬年歷的日期和 時間， LCD1286 點陣式液晶屏，可以直觀地 顯示中文 和 西文字符 ， 進一步 拓展了系統(tǒng)的功能 ，在 稱重模式下 可以清晰 地顯示 待測物體 的質(zhì)量，單價 和 總價， 在萬年歷模式下也可以 清晰 地顯示 年 ， 月 ， 日 ， 星期 的 日期信息和 時 ， 分 以及 秒 ， 溫度等 其他 信息 。最小系統(tǒng)主要 由 STC89C52 及其 它 必要的 外圍 電路 組成 ；數(shù)據(jù)采集模塊包括稱重傳感器、信號放大和A/D 模塊，其中 的 信號放大和 A/D轉(zhuǎn)換選取了 海 芯科技的高精度 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 HX711，這種 芯片是專為電子秤 量身打造的 。 其中 核心 的 控制系統(tǒng) 是 51系列 的 STC89C52 單片機，考慮到系統(tǒng)需要 單片機 去控制 大量的外圍 元器件 ， 因此 不宜采用 CPLD 或 FPGA 等 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?。 稱重 傳感部分 選用 的 是 電阻應(yīng)變式平行 梁 壓力傳感器 。電橋 隨之進入不 平衡 狀態(tài) ， 電橋?qū)?輸出相應(yīng)的 電壓，電壓 的 大小 與作用與傳感器上的 重力 成正比 關(guān)系 ，從而將非電量轉(zhuǎn)化成 了電信號 輸出。因此采用此芯片將會減少很多外圍電路的設(shè)計工作，該芯片 具有 非常 高 的 集成度 ， 抗干擾性 能 也非常 強 。 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。 由于 芯片內(nèi) 部集成 了優(yōu)質(zhì)的 電源 模塊， 因此稱重 傳感器 以及 芯片內(nèi) 部 的 A/D 可以 從芯片 直接 獲取 電源， 因此 系統(tǒng) 電路 板上無需 額 外的模擬電源 供電 ，非常 地 方便 。該液晶是 晶訊聯(lián)公司 產(chǎn) 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(nèi)置中文 字庫 IC， 編程者 可以從字庫 IC 中 直接讀 取內(nèi)部 字庫的字形 數(shù)據(jù) ， 然后再 寫入到 12864 的 驅(qū)動 IC中， 漢字就可以 顯示出 來 了 。 據(jù)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(tǒng)的設(shè)計要求 。 其 中 ATMEL 公司 的 AT89 系列 51單片機最具 代表性 ， 曾經(jīng) 一度十分 地風 靡 。 STC89C52采 用 傳統(tǒng) 51 內(nèi)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(yīng)用 首選的 單片機之一。 ④ 用戶應(yīng)用程序 存儲 空間為 8K 字節(jié) 。 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。 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(tǒng)設(shè)計 7 圖 24 STC89C52引腳 示意圖 目前 的 稱重傳感器 按 其 力電 轉(zhuǎn)換 的 方式 大致 可以 分為電阻應(yīng)變式 ，電容 應(yīng)變式， 液壓 轉(zhuǎn)換式 ， 光電 轉(zhuǎn)換 式 ， 壓電 感應(yīng) 式 以及新興 的 陀螺儀式 等 。 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(zhuǎn)， 則 表盤軸上的 移動光柵 也隨之 轉(zhuǎn)動， 光柵 產(chǎn)生的 莫爾條紋也 會 移動。 被測物 體 放 在承重臺上 時 重力作用 施加于 杠桿使表盤 轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn) 動 ， 和 轉(zhuǎn)軸相連的 碼盤 亦 隨之 轉(zhuǎn)動 。我們知道 鐵磁材料的磁導(dǎo)系數(shù) 與 磁阻 會 隨著其所受外力的大小發(fā)生相應(yīng)的改變 ， 而磁 導(dǎo)系數(shù)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(guān)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(zhì)量 。 它的原理 也比較簡單， 是 通過其內(nèi)部液壓油的 壓強 變化達到測量目的的。 ⑤ 電容 應(yīng)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(fā)生形變，從而引起電容極板間距的變化。 我們 就 可 以 求出被測物的 實際 質(zhì)量。振動式稱重傳感器 分為 音叉式 以及 振弦式 。弦的 左右 兩部分的 固有頻率 都會 發(fā)生 就 會發(fā)生 變化 ，兩部分 的頻率之差 和 物體的質(zhì)量 有一定關(guān)系 ， 我們 得到這個頻率差 就 可 以 求出被測物的質(zhì)量。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。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(yīng) ， 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(tǒng)設(shè)計 9 上 ， 不必考慮 靜 態(tài) 平衡問題。 由于 輸出的電 信號 與物體的重力存在線性關(guān)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(zhì)量。 綜上 所述， 反復(fù) 對比各類稱重傳感器后 可以 得出結(jié)論 ： 從 技術(shù) 成熟度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，計量精確度和制造成本綜合考慮， 電阻應(yīng)變式稱重傳感器 是 最佳的選項 。其 外形 是不規(guī)則 的長方體 形 狀 （ 如圖 25） ，平行梁稱重傳感器 是 業(yè)界 部分人對其的一種稱呼 。 由于 平行梁傳感器 輸出 的信號是模擬信號，單 片機無法直接進行處理，因此需要 通過 A/D轉(zhuǎn)換 變成單片機可以處理的 數(shù)字 信號 ， 同時傳感器輸出的原始信號非常微弱，如果直接處理誤差會非常大，所以還需要進行信號的放大。綜合 考量 之下，我基于 單片機的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計 11 決定選擇 方案 二。因此采用 此芯片將會減少很多外圍電路的設(shè)計工作，該芯片具有 非常 高 的 集成度 ， 抗干擾性 能也非常 強。當系統(tǒng) 同 電 時， HX711 芯片會完成 復(fù)位 的過程， 不需要額外的初始化程序。 ④ 內(nèi) 部 集成時鐘振蕩 電路，無 需外接 晶振等元件 即可起振 ；也可以 引入外部時鐘 。 ⑧ 可以 抑制 50Hz或 60Hz電源 的干擾。 基于 單片機的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計 12 ?16引 腳的 貼片 封裝 形式。 薄膜鍵盤 其實 是 一種 薄膜開關(guān) ， 此種 鍵盤 按鍵 一般很多，按鍵分布 整齊 ， 人們習慣 叫它 薄膜鍵盤。 薄膜 鍵盤的 優(yōu)點 ： ① 外形美觀新穎 。 表 22鍵盤按鍵功能 分布 顯示 模塊 可以 在 常見 的數(shù)碼管和 液晶 屏之間取舍，考慮到本設(shè)計要顯示的數(shù)據(jù)量會比較多，如果采用數(shù)碼管顯示，則所需的數(shù)碼管位數(shù)就會非常多，將會占用單片機大量寶貴 的 I/O 口 ，本就 有限的 51 單片機 的資源將會更加顯得捉襟見肘，另外硬件電路的設(shè)計也會很復(fù)雜，編程也 會有一定 難度， 同時大量 的 數(shù)碼管 從美觀和顯示效果 來看 也不甚理想。 1602 成本最低，但是其顯示區(qū)域較小且有不能顯示中文的局限性，因此 ， 本方案選擇 12864 液晶作為系統(tǒng)的顯示部分。 報警 模塊相對 來說也比較簡單，本設(shè)計采用的是比較經(jīng)典的蜂鳴器報警方案 。 我們 常說的有源或無源蜂鳴器， 其中的 “ 源 ” 是指震蕩源 ， 而不是電源 。無源蜂鳴器 雖然 有其自身 的優(yōu)點 ，比價格 便宜 ，發(fā) 聲 頻率可 編程， 在 個別 特 殊情況下甚至 可以和 LED復(fù)用 同 一個 I/O 口 。 目前 的時鐘芯片市場 中 DS130 PCF8485 和 DS1307 等 都 比較流行 。 和 DS1302 配套實用的 也是常 見 的 32768Hz 的 晶 體 振 蕩 器 。 DS1302 比 DS1202 增加了 后備電源 電源 的 引腳， 可以 對后備電源進行充電 ， 因此DS1302 是 DS1202 的 改進版和升級版，完全符合本設(shè)計的需求。 因此 這種傳感器 就 本系統(tǒng)來說不是特別合適。 對比 以上方案，設(shè)計最終選擇了一款數(shù)字集成溫度傳感器 只有一根 數(shù)據(jù)線就可以完成和 MCU 的通信 ， 不需要 額外的備用電源， V 到 V 的 電壓范圍內(nèi)都可以工作， 它可以 測量 零下 55℃ 到 125 ℃ 的 溫度范圍 ， 量程內(nèi) 的測溫 精度 可以 達到 177。系統(tǒng)的各個模塊器件的選擇對于系統(tǒng)的整體設(shè)計是非常重要的，模塊選擇得當可以以最簡單最廉價的方案實現(xiàn)設(shè)計所要求的功能，同時系統(tǒng)性能和工作穩(wěn)定性也可以得到非常有效的保障，達到事半功倍的效果。 具體的電路設(shè)計如圖 36 圖 36蜂鳴器 報警電路 時鐘 模塊 和 溫度模塊 的電路設(shè)計 DS1302 的 硬件電路也相對比較簡單，兩個小電容起到溫度震蕩頻率的作用，單片機 口接時鐘端， 為 數(shù)據(jù)口， 為 復(fù)位 /片選 端， VCC2 接 后 備 電源 。 用 C51 語言編寫 的程序代碼 相對 長 ,需要占用 更多的程序存儲空間 。 其中 KEIL 以 其 緊湊代碼和 易于使用 的界 面深受 編程開發(fā)人員的喜愛，在國內(nèi) 51 單片機 開發(fā) 界 KEIL 更是久負盛名，是國內(nèi)編程人員首選的開發(fā)工具 。每個源程序 和對應(yīng)的頭文件 均以相應(yīng) 的模塊名來命名 ， 力求做到聞名而知意，這樣處理的結(jié)果會使整個設(shè)計的程序部 分 可讀性非常強，也大大提高了程序的可移植 性 。 程序 掃描 的方法是先 給 某一行置低電平，然后對每一列進行完整掃描， 列 掃描完成后在變化另一行，同樣進行列掃描， 直至 每一行都被掃描過，鍵盤也就完成 了 一次掃描，總共有 16 個 按 鍵 ，也就是 說 需要做 16 次 判斷，如果有鍵被按下，則返回其鍵值 。當 DOUT 為高電平時，說明 明 A/D 轉(zhuǎn)換器 未就緒 ， 需要 等待， 串口時鐘輸入信端 PD_SCK 此時 應(yīng) 該 為低電平。 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入通 道或增益 任意 一個參數(shù)發(fā)生 改變時， 都 需要 至少 經(jīng)過 4個數(shù)據(jù)輸出周期 輸出 的數(shù)據(jù) 才能穩(wěn)定， 也就是說 4 個數(shù)據(jù)輸出周期后 DOUT 才會變 為 低電平， 開始 輸出有效數(shù)據(jù)?？紤]到要顯示的信息比較多， 12864 有限的屏幕不能一次性地把所有內(nèi)容顯示完全，經(jīng)測試 滾動 顯示的效果也不理想 ， 因此設(shè)計 把 信息分成了兩屏來顯示 ， 具體實現(xiàn)方法是通過鍵盤基于 單片機的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計 23 上的 “A” 鍵 來切換， 對應(yīng) 的兩種模式分別為萬年歷和電子秤，這樣就完美地解決了 12864 單次 顯示內(nèi)容少的問題 。 由于 本 系統(tǒng)只有一個 DS18B20 溫度 傳感器因此 可以 跳過讀序號列號的操作 ，直接讀取溫度寄存器。即 先易后難，先局部再整體 的 調(diào)試方法，先調(diào)試一些相對簡單的模塊，比如蜂鳴器報警和 液晶顯示， 程序編譯通過后 把 可以仿真的模塊在 protues 仿真 軟件 中進行 了仿真測試，仿真測試通 過后，最后 把 程序燒寫進單片機進行實際硬件的測試 。 這一步的調(diào)試也相當?shù)仃P(guān)鍵 ， 需要保證各個模塊既可以正常地工作又不能影響到其他模塊，所以各個模塊需要達到局部獨立工作，但整體上又協(xié)調(diào)統(tǒng)一的要求。 由于矩陣鍵盤的引入 ， 系統(tǒng)設(shè)計要求時間調(diào)整需要通過鍵盤直接輸入要調(diào)整的數(shù)值，而不是像傳統(tǒng)時鐘那 樣 只通過 一個按鍵實現(xiàn)時間數(shù)據(jù)單步