【文章內容簡介】 機的軟件而不對硬件做任何改動。 由此， 通過對目前主流型號的比較，我們最終選擇了 AT89S52 通用的普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設計。 AT89S52 是一種兼容 MCS51 微控制器，工作電壓 到 ，全靜態(tài)時鐘 0 Hz 到 33 MHz，三級程序 加密， 32 個可編程 I/O 口， 2/3個 16 位定時 /計數(shù)器， 6/8 個中斷源，全雙工串行通訊口，低功耗支持 Idle 和Powerdown 模式， Power down 模式支持中斷喚醒 , 看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，上電復位標志。我們在外面擴展了 32K 數(shù)據(jù)存儲器，以滿足系統(tǒng)要 求 。 多功能電子秤 8 數(shù)據(jù)采集部分的方案確定 傳感器 傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉換部分指傳感器中能將敏感元 件輸出量轉換為適于傳輸和測量的電信號部分。現(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，因此，傳感器的地位與作用特別重要。 方案一 壓電傳感器 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器，又稱自發(fā)電式傳感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相應的特定表面產生電荷的壓電效應。 壓電傳感器體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學量的測量， 不適合測頻率太低的被測量，更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性，這對外接電路要求很高。 方案二 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉換為電信號的結構型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結合彈性元件構成力學量傳感器。 導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應 變效應。電阻應變片把機械應變信號轉換為△ R/R 后，由于應變量及相應電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉換電路把應變片的△ R/R 變化轉換成電壓或電流變化。其轉換電路常用測量電橋。 直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： 多功能電子秤 9 )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ?? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR??? 圖 傳感器結構原理圖 當電橋輸出端接無窮大負載電阻時， 可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。 當忽略電源的內阻時，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? = （ ） 當滿足條件 R1R3=R2R4 時，即 （ ） ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱平衡條件。 應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變片感 受的應變所引起的電阻變化有關。 若差動工作，即 R1=R△ R,R2=R+△ R,R3=R△ R， R4=R+△ R,按式 （ ） ，則電橋輸出為 Ek?? () 應變片式傳感器有如下特點： 1. 應用和測量范圍廣，應變片可制成各種機械量傳感器。 2. 分辨力和靈敏度高，精度較高。 3. 結 構輕小，對試件影響小， 對復雜環(huán)境適應性強，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應好。 多功能電子秤 10 4. 商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第二種方案。題目要求稱重范圍 0～ 5Kg，重量誤差不大于 ? ，于是我選擇的是 HL8 型稱重傳感器，量程 5Kg，精度為 %，滿量程時誤差 ? ，完全滿足本系統(tǒng)的精度要求。 HL8 型稱重傳感器 主要技術參數(shù)如下 表 所示 ： 表 HL8 型稱重傳感器主要技術參數(shù)表 受力方式 ： 圖 HL8型傳感器 受力方式 圖 運放與 A/D 轉換器部分 經由傳感器或敏感元件轉換后輸出的信號一般電平較低；經由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行 A/D 轉換。為此，測量電路中常設有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構成具有各種特性的放大器來完成。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，多功能電子秤 11 內阻高，還常伴有較高的共模電壓。因 此，一般對放大器有如下一些要求： 1. 輸入阻抗應遠大于信號源內阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓造成偏差。 2. 抗共模電壓干擾能力強。 3. 在預定的頻帶寬度內有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 A/D 轉換器選用的原則： 1. A/D 轉換器的位數(shù)。 A/D 轉換器決定分辨率的高低。在系統(tǒng)中， A/D 轉換器的分辨率應比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上。 2. A/D 轉換器的轉換速率。不同類型的 A/D 轉換器的轉換速率大不相同。積分型的轉換速率低，轉換時間從幾豪秒到幾十毫 秒，只能構成低速 A/D 轉換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試。逐次逼近型屬于中速 A/D 轉換器，轉換時間為納秒級，用于個通道過程控制和聲頻數(shù)字轉換系統(tǒng)。 3. A/D 轉換器的有關量程引腳。有的 A/D 轉換器提供兩個輸入引腳，不同量程范圍內的模擬量可從不同引腳輸入。 4. A/D 轉換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時， A/D 轉換器芯片電流驟增，時間一長就會燒壞芯片。為防止這種現(xiàn)象，可采取如下措施： 1) 加強抗干擾措施，盡量避免較大的干擾電流進入電路； 2) 加強電源穩(wěn)壓濾波措施， 在 A/D 轉換器電源入口處 加退耦濾波電路，為防止窄脈沖波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容； 3) 在 A/D 轉換器的電源端接一限流電阻，可在出現(xiàn)晶閘管現(xiàn)象時，有效地把電流限定在允許范圍內，以防止燒壞器件。 選擇 A/D 轉換器除考慮上述要點外，為防止對 A/D 轉換器的技術指標的影響，還要注意以下幾個問題： 1) 工作電源電壓是否穩(wěn)定； 2) 外接時鐘信號的頻率是否合適； 3) 工作環(huán)境溫度是否符合器件要求； 4) 與其它器件是否匹配； 多功能電子秤 12 5) 印刷線路板布線是否合理。 總上分析，我選擇了高精度高增益 24位 A/D 芯片 HX711， HX711 是一款專為高精度稱重傳感器而設計的 24 位 A/D 轉換器芯片 。 與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道 A 或通道 B，與其內部的低噪聲可編程放大器相連。通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應的滿額度差分輸入信號幅值分別為177。 20mV 或177。 40mV 。通道 B 則為固定的 64 增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的 A/D 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。 高精度高增益 24位 A/D 芯片 HX711 具有以下 特點 ： 1) 兩路可選擇差分輸入 ； 2) 片內低噪聲可編程放大器，可選增益為 64 和 128； 3) 片內穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內 A/D 轉換器提供電源 ； 4) 片內時鐘振蕩器無需任何外接器件，必要時也可使用外接晶振或時鐘 ； 5) 上電自動復位電路 ； 6) 簡單的數(shù)字控制和串口通訊： 所有控制由管腳輸入，芯片內寄存器無需編程 ； 7) 可選擇 10Hz 或 80Hz 的輸出數(shù)據(jù)速率 ； 8) 同步抑制 50Hz 和 60Hz 的電源干擾 ； 9) 耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）：典型工作電流： , 斷電電流： 1μA ； 10) 工作電壓范圍： ~ ； 高精度高增益 24位 A/D 芯片 HX711 在電子秤應用中的典型電路： 多功能電子秤 13 圖 HX711 在電子秤應用中的典型應用方案圖 人機交互部分 鍵盤輸入 鍵盤輸入是人機交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。 鍵盤是由若干個按 鍵開關組成，鍵的多少根據(jù)單片機應用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個鍵相當于一個機械開關觸點，當鍵按下時，觸點閉合，當鍵松開時，觸點斷開。單片機接收到按鍵的觸點信號后作相應的功能處理。因此，相對于單片機系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。 方案一 Intel8279 是一種 為 8 位微處理器設計的 比較成熟的 通用 鍵盤 /顯示器接口 芯片， 其功能有：接收來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，并作預處理；數(shù)據(jù)顯示的管理和數(shù)據(jù)顯示器的控制。 但是在與單片機 編程中比較復雜 。 方案二 采用最常用的 4*4 矩陣鍵盤 ， 4*4 矩陣編程簡單， 大大簡化 了程序。 因此，我 選擇 4*4 矩陣鍵盤 。 輸出顯示 方案一 全部采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼能顯示時鐘，以及被測物體的重量等信息 。 此方案顯示直觀，而且編程簡單，但若要同時顯示單價，金額等諸多信息則需要要大量的數(shù)碼管。由此增加 了電路的復雜程度 ， 也加大了編程的難度。 方案二 采用 可以設置顯示單 價 ，金額， 時間 日期等 的 LCD，它 具有低功耗、可視面大、畫面友好 及 抗干擾能力強等功能， 其 顯示技術已得到廣泛應用。 LCD 顯示器的工作原理：液晶顯示器的主要材料是液態(tài)晶體。它在特定的溫度范圍內，既具有液體的流動性，又具 有晶體的某些光學特性，其透明度和顏多功能電子秤 14 色隨電場、磁場、光照度等外界條件變化而變化。因此，用液晶做成顯示器件，就可以把上訴外界條件的變化反映出來從而形成現(xiàn)實的效果。 所以我 選擇了 太陽人公司的 點陣式 1602 液晶 。 系統(tǒng)電源 考慮到系統(tǒng)電源部分的簡單我采用了我手中剛好有的外部 9V 電源，但由于單片機 需要＋ 5V電源 ，所以板內電路應用了 LM7805 穩(wěn)壓片。 x78xX 系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為下 TO220．它有一系列固定的電壓輸出，應用非常的廣泛：每種類型由于內部電流的限制，以及過熱保護和安全 工作區(qū)的保護使 它基本上不會損壞， 如果能夠提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于 的輸出電流。 雖然是按照固定電壓值來設計的，但是當接入適當?shù)耐獠科骷?，就能能獲得各種不同的電壓和電流： 1. LM7805 的特點有： a) 最大輸出電流為 ， 輸出電壓為 5V； b) 熱過載保護 ， 短路保護 ； c) 輸出晶休管安全工作區(qū)保護 ； 2. 內部框圖 ： 圖 LM7805內部框圖 3. 板內 電源 電路 原理 圖 ： 多功能電子秤 15 圖 具體實施方案簡介 根據(jù) 以上 設計方案，硬件部分采用 51系列單片機 AT89S52 為控制核心部件，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。 AT89S52 是一款 8 位的內帶 8K 程序存儲器的微控制器，考慮到用軟件實現(xiàn)電子秤系統(tǒng)的各項功能時，所需的軟件量并不是很大，不需要太大的程序存儲空間，因此在對 AT89S52 實際設計時不需要在片外再擴展程序存儲器，這樣不僅節(jié)省了硬件資源，也優(yōu)化了電路的設計。 系統(tǒng)的硬件部分不僅包括以單片機 AT89S52 為核心的最小系統(tǒng)部分，而且還包括 串口通信 、數(shù)據(jù)采集、人機交互界面和系統(tǒng)電源 、時鐘、溫度檢測和語言報數(shù)等 部分 。 串口通信主要用于單片機與 PC 機的通信，主要由 MAX232 實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集部分由 HL8 型稱重 傳感器、 高精度稱重傳感器 專業(yè) 的 24 位 A/D 轉換器 部分組成。在具體選擇傳感器時，考慮到在稱量物品時必要的精度、準確性要求，所稱物品的重量誤差必須要控制在一定的范圍之內 。另外由于 秤臺的自身重量、振動和沖