【正文】 HX711 芯片采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，是一款專為高精度壓力測量而設(shè)計的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。 圖 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 信號放大電路 壓力傳感器的輸出電壓范圍為 0～ 20mV，而 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入電壓需要為 0～ 2V，xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 11 頁 共 61 頁 因此放大環(huán)節(jié)要有 100 倍左右的增益。 對于大應(yīng)變有較大的非線性的輸出信號較弱，但可以通過一些措施來補償。其電路如圖 所示： 圖 單 片機復(fù)位原理圖 電容的作用就是緩沖使 RST 端保持高電平一段時間，以達到有效復(fù)位，電容越大，保持的時間就越久。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地 。 ? PSEN(第 29 腳 )：當從外部程序存儲器讀取指令時，每個機器周期內(nèi) PSEN 兩次有效，時外部程序存儲器的讀選通信號。本系統(tǒng)采用 STC89C51RC 作為核心單片機系統(tǒng)， STC89C51RC是一種高性能、低功耗 8 位微控制器。 壓力檢 測系統(tǒng)框圖如圖 所示： 壓 力 傳 感 器2 4 位 A / D 芯 片H X 7 1 1 電 路S T C 8 9 C 5 1 R C單 片 機電源供電矩 陣 鍵 盤液 晶 顯 示 圖 壓力檢測系統(tǒng)框圖 壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案 實時壓力測量和實時壓力監(jiān)控預(yù)警是壓力檢測系統(tǒng)裝置的最重要兩個部分，它是實現(xiàn)其他功能的基本條件，這兩部分性能的好壞將關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能，所以設(shè)計一個成本低、可靠性高、測量精度高、安裝調(diào)試方便的壓力檢測系統(tǒng)是該設(shè)計的關(guān)鍵。 LCD 液晶設(shè)備顯示壓力值的測量結(jié)果及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果等，配合蜂鳴器和 LED 二極管進行聲光報警。 壓力檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 壓力檢測系統(tǒng)靠的就是壓力傳感器去采集壓力信號。計算機的使用在工業(yè)過程控制生產(chǎn)中是一個重要環(huán)節(jié)。 采用 單片 機設(shè)計實現(xiàn)，具有精度高、功 能強等特點 。 壓力測量在工業(yè)安全生產(chǎn)的實時監(jiān)測中具有重要的意義。但是從總體 來看，我國在傳感器技術(shù)的研究和生產(chǎn)還落后于國外傳感器技術(shù)，如今正處于方興未艾的階段。 人機交互模塊。然后按確認鍵即可完成閾值重設(shè)的操作。當使用外部存儲器時，總線復(fù)用，不僅可以作為數(shù)據(jù)總線，也可作為地址總線的高 8 位。 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 7 頁 共 61 頁 單片機晶振電路和復(fù)位電路 （ 1）晶振電路 晶振是晶體振蕩器的簡稱在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián) 再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)。 圖 單片機時鐘原理圖 （ 2）復(fù)位電路 單片機的復(fù)位電路有兩種，上電自動復(fù)位方式以及手動復(fù)位方式。由壓力傳感器將所測壓力信號轉(zhuǎn)換成容易測量的電信號輸出，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換及單片機處理后傳送給液晶顯示壓力值，或供報警使 用。傳感器內(nèi)部線路采xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 10 頁 共 61 頁 用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，轉(zhuǎn)換元件電阻應(yīng)變片也會受到拉伸或變形，它的阻值將發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理。本次設(shè)計中 A/D 轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換位數(shù)字量進行輸出。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源 [8]。斷電控制圖如下圖 。對于顯示英文操作，由于英文字母種類很少，只需要 8 位（一字節(jié)）即可。電源供電開關(guān)模塊如下圖 所示。當然，對于匯編語言在某些方面仍然有著不小的優(yōu)勢，最為突出xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 21 頁 共 61 頁 的一點就是效率優(yōu)化的可操作性。 //斷電控制（高電平有效）和串口時鐘輸入端口 sbit lcd_sclk=P2^3。 //矩陣鍵盤第二列接口 sbit COL3=P3^6。在軟件方面，單片機通過發(fā)送時序命令的方式對 A/D 芯片進行控制，由于選型的 A/D 芯片不需要啟動命令，即可自動轉(zhuǎn)換。人機交互是設(shè)計人性化、便捷操作的必要操作，除了硬件上的設(shè)計基礎(chǔ)，還必須要軟件的靈活控制，由于顯示時序均以時序建模的方式實現(xiàn)了控制驅(qū)動，大大簡化了 軟件設(shè)計，軟件僅需要按要求給出擬顯示的圖像和位置即可。 //如果列輸出不全為高，則說明有鍵按下 if ((COL1!=1)||(COL2!=1)||(COL3!=1)||(COL4!=1)) { //輸入 011 ROW1=0。如下圖 所示。然后進行模xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 24 頁 共 61 頁 數(shù)轉(zhuǎn)換，判斷是否超過設(shè)定閾值，轉(zhuǎn)換壓力字符通過液晶顯示。 //矩陣鍵盤第一行接口 sbit ROW2=P3^2。 ? P14， P15 用于接 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 HX711 數(shù)據(jù)采集端口，是串行工作方式，所以節(jié)省了很多的 IO 口的使用。 C51 工具包可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試等整個流程。如圖 所示： 圖 聲光報警電路圖 電源供電模塊 系統(tǒng)通過 USB 電源供電，電源電壓為 5V。晶聯(lián)訊電子所生產(chǎn) JLX12864G086 型液晶模塊由于使用方便、顯示清晰，廣泛應(yīng)用于各種人機交流面板。 （ 4） HX711 的數(shù)據(jù)輸出，輸入通道和增益選擇時序圖如下圖 所示。通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號電壓值分別為 177。這么小的電阻變化既難以直接準確地測量，又不便直接處理。此處通常選用測量電橋作為轉(zhuǎn)換電路。放大后的模擬電壓 信號經(jīng) 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 HX711 電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過 2 線串行方式與單片機通信，即可完成數(shù)據(jù)的采集工作。 晶振與單片機的腳 XTAL0 和腳 XTAL1 構(gòu)成的振蕩電路中會產(chǎn)生偕波 。 ? RST（第 9 腳）：當 RST 上出項兩個機器周期以上的高電平時，單片機將復(fù)位。當接外部存儲器時，總線復(fù)用，不僅可以作為數(shù)據(jù)總線，也可作為地址總線的低 8 位。壓力傳感器在每次單片機復(fù)位后自動校準歸零。 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 3 頁 共 61 頁 2 系統(tǒng)分析與總體方案設(shè)計 壓力檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計 壓力檢測系統(tǒng)裝置主要由五個模塊組成： 數(shù)據(jù)采集模塊。例如，在日本傳感器技術(shù)被列為六大核心技術(shù)之一，其他五項核心技術(shù)為通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和計算機。 在 這 信息高速發(fā)展的 時代 ，傳感器檢測系統(tǒng) 的發(fā)展有兩個及其重要的方向，分別為智能化 與 集成化 。 學(xué)號： xxxxxxx xx 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文） （ xxxx 屆） 題 目 基于 51 單片機 的 壓力檢測系統(tǒng) 設(shè)計 學(xué) 生 xxxx 學(xué) 院 xxxxxxxxxxxxxxxx 專業(yè)班級 xxxxxxxx 校內(nèi)指導(dǎo)教師 xxxx 專業(yè)技術(shù)職務(wù) xxxxxx 校外指導(dǎo)老師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 二 〇 xxx 年 六 月I 基于 51 單片機 的 壓力檢測系統(tǒng) 設(shè)計 摘 要 ： 本設(shè)計 借助壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號放大，使用高精度A/D 轉(zhuǎn)換器件，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號，再經(jīng)單片機運算處理轉(zhuǎn)換成 LCD 液晶可以識別的信息，最后顯示輸出。 而傳感器檢測系統(tǒng)智能化和集成化的程度主要取決于 系統(tǒng)內(nèi)部 微處理器的性能 [1]。并且日本還將傳感器列為六大技術(shù)之首；美國將上世紀 90 年代看作是傳感器時代，將傳感器技術(shù)列為 90 年代 22 項關(guān)鍵技術(shù)之一。該模塊的作用是將檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，經(jīng)電平保護后輸出到數(shù)據(jù)處理部分。再放上物體進行壓力測量，顯示器可以實時顯示當前所測物體的質(zhì)量，并且用戶可以根據(jù)需要將壓力值進行手動存儲，然后通過按鍵查詢所存儲的歷史數(shù)據(jù)。 ? I/O 口引腳 P1（第 1 腳 ~8 腳）： 8 位準 雙向 I/O 口。 單片機 STC89C51RC 內(nèi)部 ROM空間大小為 4K，地址范圍從 0000H 到 0FFFH。 這個波對電路的影 響不大 ， 但會降低電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性 ， 為了電路的穩(wěn)定性起見 。數(shù)字采集模塊原理圖如圖 所示。 此處的 測量電橋選用直流電橋，因為直流電橋抗干擾能力強，但是輸出信號小，所以需要對轉(zhuǎn)換的電信號通過高效的放大電路進行放大。所以必須采用轉(zhuǎn) 換電路，把應(yīng)變片的 ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，但是這個電壓或電流信號很小，需要增加增益放大電路來把這個電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成可以被 A/D 轉(zhuǎn)換芯片接收的信號。20mV 或 177。 圖 數(shù)據(jù) 輸出 ，輸入通道和增益選擇時序圖 當芯片上電時，芯片內(nèi)的上電自動復(fù)位電路會使芯片自動復(fù)位。其接口引腳功能 介紹如表 所示。單片機程序也可通過 USB 線串行下載。程序員可用 IDE 或其它編輯器編輯 C 文件。 還有一些單獨的接口，比如振蕩電路接口，聲光報警電路接口和單片機自帶的燒錄程序串口通訊接口 TXD、 RXD 等。 //矩陣鍵盤第二行接口 sbit ROW3=P1^3。參數(shù)設(shè)定完畢，系統(tǒng)啟動數(shù)據(jù)采集和控制程序，實現(xiàn)壓力的實時檢測。 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 27 頁 共 61 頁 計 算 均 值判 斷 有 無 眾 數(shù) 顯 示 “ 無 眾 數(shù) ”計 算 最 大 （ 小 ） 值開 始結(jié) 束依 次 顯 示 均 值 、 最值 、 中 位 數(shù) 、 眾 數(shù)計 算 中 位 數(shù)NY 圖 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析流程圖 閾值重設(shè)子程序設(shè)計 系統(tǒng)開啟后，系統(tǒng)會默認顯示程序中預(yù)先設(shè)定的閾值 ，按閾值重設(shè)鍵，鍵盤程序讀取鍵碼，調(diào)用該子程序，界面跳到修改閾值的界 面，有個光標在第一個 9 的下面，可以通過按左右選擇鍵，將光標左右移動，該光標停在任意數(shù)下面，就可以通過加減鍵對該數(shù)字進行修改，從而完成閾值的修改，最后按確認鍵即可跳轉(zhuǎn)到主菜單。 RO。 xx 本科生畢業(yè)設(shè)計（論 文） 第 28 頁 共 61 頁 開 始讀 取 顯 示 當 前閾 值按 鍵 判 斷更 新 數(shù) 據(jù) 及 顯示+↓ →←檢 測 鍵 盤↑開 始結(jié) 束 圖 閾值重設(shè)功能流程圖 人機交互子程序設(shè)計 人機交互單元包括鍵盤處理和 12864 顯示模塊兩部分。其中模擬信 號的放大倍數(shù)由放大電路控制。 //矩陣鍵盤第一列接口 sbit COL2=P3^5。 //串行數(shù)據(jù)輸出端口 sbit A/DSK = P1^4。就前兩種編程方式相比， C 語言更加通俗易懂 ，容易上手， C 語言屬于高級語言，并且有著編譯器的強大支持與自動優(yōu)化，使得編程者在軟件設(shè)計的時候不用花費太多時間去研究單片機底層硬件資源。通電后電源指示燈點亮，系統(tǒng)開始工作；斷電后電源指示燈熄滅，系統(tǒng)停止運行。 表 LCD12864 的引腳說明 管腳號 管腳符號 名稱 管腳功能描述 1 ROMIN 字庫 IC 接口 串行數(shù)據(jù)輸出 2 ROMOUT 字庫 IC 接口 串行數(shù)據(jù)輸入 3 ROMSCK 字庫 IC 接口 串行時鐘輸入 4 ROMCS 字庫 IC 接口 片選輸入 5 LEDA 背光電源 背光電源正極， 同 VDD 電壓（ 5V 或 ） 6 VSS 接地 0V 7 VDD 電路電源 5V 或 可選 8 SCK I/O 串行時鐘 9 SDA I/O 串行數(shù)據(jù) 10 RS 寄存器選擇信號 H：數(shù)據(jù)寄存器 0：指令寄存器 11 RST 復(fù)位 低電平復(fù)位，復(fù)位后，回到高電平，液晶工作 12 CS 片選 低電平片選 點陣 LCD 的顯示原理 在數(shù)字電路中，所有的數(shù)據(jù)都是以 0 和 1 保存的，對 LCD 控制器進行不同的數(shù)據(jù)操作，可以得到不同的結(jié)果。當 PD_SCK 為低電平時，芯片處于正常工作狀態(tài)。通道 B 則為固定的 32 增益 ，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。能夠完成這一任務(wù)的器件稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器。 圖 測量電橋原理圖 （ 2） 電阻應(yīng)變式傳感器測量原理 電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片等組成。壓