【文章內容簡介】 當中一個重要的品種 ,實際應用及其廣泛。稱重傳感器中最多的是電阻應變式稱重 ,應變片是稱重傳感器的核心單元 ,彈性體是基礎組成部分。稱重傳感器按結構類型分主要有 S 行雙連孔式傳感器 ,柱式傳感器 ,輪輻式與橋式傳感 ,柱環(huán)式傳感器 ,剪切梁式傳感器和單 S 梁式傳感器。 S 行雙連孔式傳感器量程范圍一般在 2Kg 到 500Kg,這種類型稱重傳感器抗偏，抗側能力較強。柱 式傳感器的測量范圍都很大，一般最大可以達到幾百噸，它剛性好，抗過載能力強，加工也簡單，重量也比較輕。輪輻式傳感器由于結構的對稱性，所以能夠承受大的側向力，由于它有較大的滯后誤差，很多場合都被橋式傳感器所取代。橋式傳感器的彈性體形狀像橋，因此得得名。橋式傳感器精度高，標定方便，普遍應用于汽車秤跟平臺秤等多個場合。柱環(huán)式傳感器由于本身的結構特性目前大多僅用于測量拉力，其精度一般在 到 之間。剪切梁式傳感器運用剪切原理制作而成，精度跟穩(wěn)定性都很高，一般都不需要線性補償都能達到要求。它不受測力點變化的影 響。測量范圍在幾十千克的場合一般選用單 S 梁式傳感器，它不適合在振動大的時候使用。 8 圖 25 傳感器工作原理圖 稱重傳感器在選用過程中一般要考慮以下問題： (1)安裝要求，有些場合就直適合某種特定的稱重傳感器。 (2)使用環(huán)境條件，如需密封、防爆等。 (3)傳感器的精度等級。精度等級通常由彈性體結構決定，以及處理過程中是否有線性補償。 (4)傳感器的量程范圍。估算被測物體的最大重量在多少，要想獲得較準備的測量數(shù)值一般選擇的量程是被測體最大重量的 2 到 倍。 (5)傳感器使用過程受溫度影響的特性和蠕變特性 經(jīng)過查詢資料對比，適合本設計的可以用平行梁應變式傳感器，最大量程為 5Kg，精度為 %，滿量程時誤差為 +；有考慮到秤臺自重，震動和沖擊分量，還要避免超重破壞傳感器，允許最大量程時誤差 +，可滿足本系統(tǒng)的精度要求。它的特點：精度高、易加工、結構簡單緊湊、抗偏載能力強、固有頻率高。其工作原理如圖 25 所示： 其工作原理：用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的的敏感柵也隨之變形，其阻值發(fā)生相應的變化，通過轉換電路轉換為電壓的變化。由于內部線路采用惠斯通電橋，當 彈性體承受載荷產生變形時，輸出信號電壓可由下式（ 21）給出： E i nR4 R4R3 R3R2 R2R1 R1)42( 42E ??????? ??????? △△△△RR RRout （ 21） A/D 轉換器的選擇 A/D 轉換部分是整個設計的關鍵，這一部分處理不好，會使得整個設計毫無意義。 HX711 是一款專為高精度電子秤而設計的 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 ， 9 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 [7]。 HX711 的芯片功能介紹，該芯片有兩路可選擇差分輸入，片內低噪聲可編程放大器，可選增益為 128。同時穩(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。選用上電自動復位電路簡單的數(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可選擇 10Hz 或 80Hz 的輸出數(shù)據(jù)速率，同步抑制 50Hz 和 60Hz 的電源干擾耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）。 典型工作電流： , 斷電電流： 1μA ，工作電壓范圍： ~ ，工作溫度范圍 ： 20 ~ +85℃ 。 鍵盤處理部分方案的論證 目前，微機系統(tǒng)中最常用的是觸電式開關按鍵。在編寫單片機程序時，鍵盤作為一種人機接口的方式實現(xiàn)，是很常用的。而一般的實現(xiàn)方法包括： ① 外接鍵盤掃描芯片（例如 8279,7279 等），然后由該芯片來完成去抖、鍵值讀取、中斷請求等功能。最后單片機響應中斷并讀取鍵值，有時也可以采用輪訓的方式。 ② 如果按鍵數(shù)較少，那么可以直接將按鍵接到單片機的 I/O 口，然后各按鍵取邏輯或送到單片機的中斷管腳（對于 51 體系），單片機響應中斷后再去讀取 I/O 口的數(shù)據(jù)。如果單片機的中斷向量比較少（例如 AVR 系列單片機，每個 I/O 口都可以作為中斷），也可以直接把各個鍵盤接到每個具有中斷功能的 I/O 上面。在中斷處理程序中，往往需要執(zhí)行這樣一個操作序列：延時一定的時間去抖，如果按鍵有效，那么等待按鍵釋放。 上述兩種方法都存在比較明顯的缺陷：第一種方法需要專門的外圍芯片，增加成本，且一般不容易檢測按鍵的按下、釋放及長按鍵等事件。第二種方法同樣不容易檢測按鍵的按下、釋放及長按鍵等事件。且采用軟件延時的方式，浪費 CPU 資源，很不可取。 鑒于上述兩種方法的缺點，我們可以采用 掃描式的方法來判斷按鍵事件。掃描方法即 CPU 在一定的節(jié)奏下，去掃描按鍵數(shù)據(jù)線上的信號，然后分析并確定按鍵事件。因為本設計的電子秤需要設置最大量程和清零去皮 [8]。 顯示器部分的選擇 顯示器是人機交換的主要部分，它可以將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過 CPU 處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示有兩種方案： LED（全稱： Light Emitting Diode）數(shù)碼顯示和 LCD（全稱： Liquid Crystal Display）液晶顯示。 LCD 液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計算器，從袖珍儀表到便攜式 微型計算機以及一些文字處理機都用到了液晶顯示器。 LCD 液晶顯示具有顯示質量高，數(shù)字式接口，體積小，重量輕，功耗低等優(yōu)點。因此，本次設計選擇了 LCD 液晶顯示器。這里我們采用1602LCD 液晶顯示器，主要用于顯示數(shù)字、專用符號和圖形。 10 超量程報警部分的選擇 智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)運行出錯、當測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設置的上下限時為提醒用戶而設置。在本系統(tǒng)中，設置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發(fā)出聲光報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。 超限報警電路是由單片機 的 I/O 口來控制的，當稱重物體重量超過系統(tǒng)設計所允許的重量時，通過程序使單片機的 I/O 值為高電平，報警燈 D2 發(fā)光。 3 硬件電路設計 STC89C52 單片機介紹 STC89C52 單片機綜述 單片機的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩個分支。通用計算機系統(tǒng)主要用于海量高速數(shù)值運算，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)總線的寬度不斷更新，而且不斷提高運算速度和完善通用操作系統(tǒng)。以突出其高速海量數(shù)值運算能力，在數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、人工智能、圖象處理、多媒體、網(wǎng)絡通信中得到了廣泛的 應用；單片機作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，由于其微小的體積和低廉的成本，廣泛應用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設備以及通信產品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。因此，單片機的出現(xiàn)大大促進了現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展，成為近代計算機技術發(fā)展史上一個重要里程碑。 單片機的典型代表是 Intel 公司在 20 世紀 80 年代初設計生產的 MCS51 單片機。后來 Intel 公司把 MCS51 的核心技術授權給了很多其它的公司，所以有很多公司在做以 8051 為核心的單片機，當然，功能或多或少有些改變以滿足不同 的需求，其中的 89C52 就是這幾年在我國非常流行的單片機，這是由美國 ATMEL 公司開發(fā)生產的。 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度 非 易失性存儲器 技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 具有以下標準功能 ： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及 時鐘電路 。另外， STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 在本系統(tǒng)中用于稱量的主要器件是稱重傳感器，稱重傳感器在受到壓力或拉力時會產生電信號，受到不同壓力或拉力是產生的電信號也隨著變化，而且力與電信號的關系一般為線性關系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍 為 0～ 20mV，對 A/D 轉換或單片機的工作參數(shù)來說不能使 A/D 轉換和單片 11 機正常工作，所以需要對輸出的信號進行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號，所以需要對其進行A/D 轉換為數(shù)字信號以便單片機接收。單片機根據(jù)稱重傳感器輸出的電信號和速度傳感器輸出的速度信號計算出物體的重量。在本系統(tǒng)中，硬件電路的構成主要有以下幾部分： STC89C52 的最小系統(tǒng)構成、電源電路、數(shù)據(jù)采集、人機交換電路等 [9]。 STC89C52 的最小系統(tǒng)電路構成 STC89C52 單片機的最小系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路、電源電路及單片機構成 。單片機的時鐘信號用來提供單片機片內各種操作的時間基準，復位操作則使單片機的片內電路初始化，使單片機從一種確定的初態(tài)開始運行。最小系統(tǒng)圖如下 32 所示。 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳 XTAL1和 XTAL2 外接晶體振蕩器 (簡稱晶振 )或陶瓷諧振器，就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。 當單片機的復位引腳 RST 出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST 持續(xù)為高電平，單片機 就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。 上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計數(shù)器 PC＝ 0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開始執(zhí)行。 系統(tǒng)復位是任何微機系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態(tài)下。 51 單片機的復位是由 RESET 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過 24 個振蕩周期后 ， 51 單片機即進入芯片內部復位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到 RESET 引腳轉為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。 A/D 轉換器與 STC89C52 單片機接口電路 HX711 是 24 位單片 A/D 轉換器。它采用逐次逼近型的 A/D 轉換器，最大轉換時間為 25us，轉換精度為 %，所以適合于高精度的快速轉換采樣系統(tǒng)。芯片內部包含微處理器借口邏輯（有三態(tài)輸出緩沖器），故可直接與各種類型的 8 位或者 16 位的微處理器連接，而無需附加邏輯接 口電路，且能與 CMOS 及 TTL 電路兼容。 HX711 采用 16 腳雙列直插標準封裝如下圖 33 所示 [10]。 12 圖 32 STC89C52 最小系統(tǒng)電路 HX711 有 5 根控制線，邏輯控制輸入信號有： VBG：字節(jié)選擇控制信號。 VSUP：片啟動信號。 VFB：片選信號。當 CS=0， CE=1 同時滿足時， HX711 才處于工作狀態(tài)，否則工作被禁止。 INNA：讀數(shù)據(jù) /轉換控制信號。 PDSCK：數(shù)據(jù)輸出格式選擇控制信號。當其為高電平時，對應 12 位并行輸出；為低電平時，對應8 位輸出。 當 R/C=0，啟動 A/D 轉換： 當 A0=0，啟動 12 位 A/D 轉換方式；當 A0=1，啟動 8 位轉換方式。 當 R/C=1，數(shù)據(jù)輸出， A0=0 時，高 8 位數(shù)據(jù)有效； A0=1 時，低 4 位數(shù)據(jù)有效，中間 4 位 為 0，高4 位為三態(tài)。 輸出信號有： XI：工作狀態(tài)信號線。當啟動 A/D 進行轉換時， HX711 為高電平；當 A/D 轉換結束時為低電平。則可以利用此線驅動一信號二極管的亮滅，從而表示是否處于 A/D 轉換。 由于對 HX711 的 12 引腳的外接電路有不同連接方式，所以 HX71