【文章內(nèi)容簡介】 5 第二章 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件設(shè)計的整體方案 本設(shè)計使用雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器采集壓力值，得到壓力值所代表的模擬量再通過 HX711 芯片進行 AD 轉(zhuǎn)換得到壓力值 所對應(yīng)的數(shù)字量，然后將 STC89C51 單片機作為主控制芯片，在其內(nèi)部進行處理轉(zhuǎn)換得到實際的壓力值。通過串口與主藍牙模塊的配合發(fā)送至上位機的藍牙模塊從機部分，接收后，上位機的顯示部分，采用顯示界面開發(fā)平臺 LabVIEW，應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號分析，界面設(shè)計從而實現(xiàn)遠程壓力監(jiān)測的功能。硬件系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)硬件框圖 器件的選擇 處理器 本設(shè)計采用了 STC89C51 單片機，以下介紹該款單片機的主要性能參數(shù)。 (1) 與 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 (2) 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程 (ISP)Flash 閃速存儲器 (3) 1000 次擦寫周期 (4) 的工作電壓范圍 (5) 全靜態(tài)工作模式： 0Hz 33MHz 壓力監(jiān)測對象 雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器 AD 轉(zhuǎn)換 STC89C51 ttl 轉(zhuǎn) usb 串口 pc 機顯示 無線通訊 6 (6) 三級程序加密鎖 (7) 128ｘ 8字節(jié)內(nèi)部 RAM (8) 32 個可編程 I/O 口線 (9) 2 個 16 位定時器 / 計數(shù)器 (10) 6個中斷源 (11) 全雙工串行 UART 通道 (12) 低功耗空閑和掉電模式 (13) 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) (14) 看 門狗 (wDT)及雙數(shù)據(jù)指針 STC89C51 芯片管腳如圖 。 圖 STC89C51 最小系統(tǒng) 傳感器 本設(shè)計采用了雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器。 工作原理： 應(yīng)變式力傳感器的受力工作原理如圖 所示。將應(yīng)變片粘貼到受力的力敏型彈性元件上，當彈性元件受力產(chǎn)生形變時，應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，轉(zhuǎn)化成電阻變化。將應(yīng)變片接成如圖 所示的電橋，力引起的電阻變化將轉(zhuǎn)化為測量電路的 7 電壓變化，通過測量輸出電壓的數(shù)值，再通過轉(zhuǎn)換即可得到所受的壓力。 圖 應(yīng)變式力傳感器的受力工作 原理 圖 壓力傳感器的接線圖 雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器參數(shù)如表 21 所示。 表 21 雙孔懸臂平行梁應(yīng)變式壓力傳感器參數(shù) 量程 (kg) 5 綜合誤差 (%) 額定輸出溫度漂移 (%℃ ) ≤ 靈敏度 (mv/v) 177。 零點輸出 (mV/V) 177。 非線性 (%) 輸入電阻 (Ω) 1000177。 50 重復(fù)性 (%) 輸出電阻 (Ω) 1000177。 50 滯后 (%) 絕緣電阻 (MΩ) ≥ 2020(100VDC) 蠕變 (%) 勵磁電壓 (V) 3 ~ 12 零點漂移 (%) 工作溫度范圍 (℃) 10 ~ +50 零點溫度漂移 (%℃ ) 過載能力 (%) 150 AD 轉(zhuǎn)換芯片 本設(shè)計采用了 24位高精度 AD 轉(zhuǎn)換芯片 HX711. 1 簡介： HX711 采用了海芯科技集成電路專利技術(shù)，是一款專為高精度電子稱而設(shè)計的 24位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型所需要 的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性能強等特點。降低了電子稱的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。 8 特點： (1) 兩路可選擇差分輸入 (2) 片內(nèi)低噪聲編程放大器，可選增益為 32， 64， 128 (3) 片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源 (4) 片內(nèi)時鐘振蕩器無需任何外接器件，必要時也可以用外接晶振或時鐘 (5) 上電自動復(fù)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(nèi)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 1 HX711 芯片的串口通信 串口通訊線由管腳 PD_SCK 和 DOUT 組成，用來輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和增益。當數(shù)據(jù)輸出管腳 DOUT 為高電平時，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器還未準備好輸出數(shù)據(jù)，此時串口時鐘輸入信號 PD_SCK 應(yīng)為低電平。當 DOUT 從高電平變低電平后， PD_SCK 應(yīng)輸入 25 至 27個不等的時鐘脈沖（圖二）。其中第一個時鐘脈沖的上升沿將讀出輸出 24 位數(shù)據(jù)的最高位（ MSB），直至第 24個時鐘脈沖完成， 24 位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。第 25 至 27 個時鐘脈沖用來選擇下一次 A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益，如表 22 所示。 表 22 輸入通道和增益選擇 PD_SCK 脈沖數(shù) 輸入通道 增益 25 A 128 26 B 32 27 A 64 PD_SCK 的輸入時鐘脈沖數(shù)不應(yīng)少于 25 或多于 27，否則會造成串口通訊錯誤。當 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入通道或增益改變時， A/D 轉(zhuǎn)換器需要 4 個數(shù)據(jù)輸出周期才能穩(wěn)定。 DOUT 在4個數(shù)據(jù)輸出周期后才會從高電平變低電平，輸出有效數(shù)據(jù)。 9 其接線方式如圖 所示： 圖 HX711 的接線方式 無線模塊 目前無線傳輸可簡單分類為紅外線、 、藍牙以及 HomeRF 等四項技術(shù)： 1 紅外線 (Infared) 這是利用紅外線進行點到點視距傳輸?shù)募夹g(shù)，它是在 1993 年由紅外線數(shù)據(jù)標準協(xié)會制訂的。目前紅外線的傳送速率最高為 16Mbps，接收角度 120 度。紅外傳輸 設(shè)備體積小，功耗低，技術(shù)成熟，進入市場早，價格便宜，應(yīng)用廣泛。但紅外線的最大缺點是只能進行視距傳輸，即通信設(shè)備中間不能存在阻擋物，從而把紅外線應(yīng)用限制在特定領(lǐng)域之內(nèi)。 2 系列這是 IEEE（ Institute for Electrical and Electronic Engineers 電氣和電子工程師協(xié)會）制定的無線局域 網(wǎng)標準，用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入。目前最為常見的是 ，它使用開放的 微波頻 段，最高速率為 11Mbps；在惡劣環(huán)境下，可動態(tài)切換到較低的速率上以保證通信。在辦公環(huán)境下作用范圍約 100 米，在室外可以達到 300 米。另一種 無線局域網(wǎng)工作在 5G的頻段上，速率可達到 54Mbps，但設(shè)備昂貴，應(yīng)用較少。 10 3 藍牙 (Bluetooth) 藍牙是一種開放性的短距無線通信技術(shù)標準，它主要應(yīng)用于移動設(shè)備間的小范圍連接，因而本質(zhì)上是一種代替線纜的技術(shù)。藍牙也使用 頻段，采用快跳頻技術(shù)進行通信，因而具有較高的抗干擾能力和安全性能。藍牙技術(shù)可以支持數(shù)據(jù)和語音傳 輸，最高速率為 1Mbps，其作用范圍視微波發(fā)射功率而定： 0dbm 的功率的作用距離為 10 米，20dbm 的功率作用距離為 100 米。與 系列局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式不同，藍牙技術(shù)支持一種靈活的組網(wǎng)方式。即通過無線方式將若干藍牙設(shè)備組織成微微網(wǎng)（ pico— ）， 多個微微網(wǎng)之間又可以互連成為分散網(wǎng)（ Scatter－ ）。同時，藍牙也是唯一能夠嵌入在手機中的短距離全向射頻通信技術(shù)。 4 HomeRF 這是由 HomeRF 工作組開發(fā)的， 目標是在家庭范圍內(nèi)，實現(xiàn)計算機與其他設(shè)備間的無線通信， HomeRF 是 與 DECT 的結(jié)合，作用距離為 100 米，傳輸速率為 1～2Mbps，支持流媒體傳輸，在抗干擾能力上略有不足。然而 HomeRF 技術(shù)沒有公開，目前僅有為數(shù)很少的企業(yè)支持，因此應(yīng)用前景并不廣泛。 綜合上面四種無線通信方式的優(yōu)缺點，基于本設(shè)計需要一種短距離、低功率、低成本的無線通信標準，同時不存在穿透性問題，因此本設(shè)計的無線通信方式選擇了 HC05藍牙模塊。 11 第三章 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件的整體設(shè) 計方案 本設(shè)計利用 Keil C51 和 LabVIEW 編程軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)測壓 顯示功能。系統(tǒng)主要分兩部分程序， Keil C51 編寫單片機讀取 壓力 值并通過串口傳送 壓力 值程序； LabVIEW 編程進行數(shù)據(jù)的處理和直觀界面顯示程序。系統(tǒng)的流程圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)流程圖 下位機編程 下位機軟件開發(fā)環(huán)境 —— Keil C51 簡介 單片機的程序設(shè)計需要在特定的編譯器中進行。編譯器完成對程序的編譯、連接等串口初始化 開始 串口發(fā)送數(shù)據(jù) 單片機讀取傳感器并轉(zhuǎn)化成壓力值 接 收 數(shù)據(jù) 并 通 過LabVIEW 進行數(shù)據(jù)處理和顯示 12 工作，并最終生成可執(zhí)行文件。對于單 片機程序的開發(fā)，一般采用 Keil 公司的 uVison系列的集成開發(fā)環(huán)境。 Keil uVison3 是集成的可視化 Windows 操作界面，其提供了豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具，能夠?qū)?51 系列單片機以及和 51 系列兼容的絕大部分類型的單片機進行設(shè)計。Keil uVison 系列可以支持單片機 C51 程序設(shè)計語