【文章內(nèi)容簡介】 成 T、 II、 III、Ⅳ四類等級，分別對應(yīng)不同準(zhǔn)確度的電子秤和分度數(shù) n的范圍，如表 11所示： 表 11 不同準(zhǔn)確度的電子秤和分度數(shù) 標(biāo)志及等級 電子秤分類 分度數(shù)范圍 特種準(zhǔn)確度 基準(zhǔn)衡器 n 100000 高準(zhǔn)確度 精密衡器 10000 n≤ 100000 中準(zhǔn)確度 商業(yè)衡器 1000 n≤ 10000 普通準(zhǔn)確度 粗衡器 100n≤ 1000 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 流 系統(tǒng)元器件選型及參數(shù)介紹 系統(tǒng)單片機(jī)選型 單片機(jī)的選擇在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、價格便宜等要求，本課題選擇 AT89S52 作為主控芯片。 AT89S52是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S52 芯片具有以下特性 ?4?： ①指令集和芯片引腳與 Intel 公司的 8051 兼容； ② 4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程 Flash 程序存儲器； ③時鐘頻率為 0～ 33MHz； ④ 128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲器（ RAM）； ⑤ 32個可編程輸入 /輸出引腳； ⑥ 2個 16位定時 /計(jì)數(shù)器； ⑦ 6個中斷源， 2 級優(yōu)先級； ⑧全雙工串行通信接口； ⑨監(jiān)視定時器； ⑩ 2個數(shù)據(jù)指針。 AT89S52 單片機(jī)的 40 個引腳中有 2 個專用于主電源引腳， 2 個外接晶振的引腳， 4個控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及 32條輸入輸出 I/O 引腳 ?5?。 AT89S52 單片機(jī)引腳圖如圖 21 所示： 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 21 單片機(jī)引腳圖 系統(tǒng)傳感器選型 系統(tǒng)采用 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(yīng)的特定表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 壓電傳感器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學(xué)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(diǎn)：高內(nèi)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。 電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片 即可單獨(dú)作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。 導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為 △R/R 后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)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(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的 △R/R 變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。 直流電橋的特點(diǎn)是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)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。 圖 22 為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ? 圖 22 傳感器內(nèi)部連接圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)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(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： ADABBDo uuuu ??? = （ ） 當(dāng)滿足條件 R1R3=R2R4 時，即 （ ） ou =0，即電橋平衡。式（ ）稱平衡條件。 應(yīng)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(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。 若差動工作，即 R1=R△R,R2=R+△R,R3=R △R ， R4=R+△R, 按式（ ），則電橋 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 ? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR???輸出為 Ek?? () 應(yīng)變片式傳感器有如下特點(diǎn)： （ 1）應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機(jī)械量傳感器。 （ 2）分辨力和靈敏度高，精度較高。 （ 3）結(jié)構(gòu)輕小，對試件影響小， 對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高溫、高壓、強(qiáng)磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 （ 4）商品化，使用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動化測量 [5]。 通過對壓力傳感器與 電阻應(yīng)變式傳感器 比較分析 ，最終 選擇了第 二 種方案。題目要求稱重范圍 0～ 5Kg,滿量程量誤差不大于 ? ，考慮到秤臺自重、振動和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重 5Kg。我們選擇的是電阻應(yīng)變片壓力傳感器，量程為 5Kg，精度為 % ，滿足本系統(tǒng)的精度要求。 系統(tǒng) AD 轉(zhuǎn)換芯片選擇 HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)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(nèi)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(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)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(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道 A 或通道 B，與其內(nèi)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(yīng)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 ?9?，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。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 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 11 另外的 模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。 芯片管腳圖如圖 23 所示。 圖 23 HX711 管腳定義 HX711 典型應(yīng)用電路如圖 24 所示。 圖 24 HX711 典型應(yīng)用電路 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 系統(tǒng)顯示器選擇 方案一 數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點(diǎn)顯示）；按能顯示多少個“ 8”可分為 1 位、 2 位、 4 位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式 分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。 數(shù)碼管顯示信息有限，當(dāng)顯示信息較 多時需要多個數(shù)碼管級聯(lián)方可，這樣會造成硬件連接復(fù)雜，成本增加；數(shù)碼管對大部分字符不能很好的顯示，動態(tài)掃描時處理不好易出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。 方案二 LCD 字符液晶顯示 采用點(diǎn)陣字符型 LCD 液晶顯示，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用 的信息顯示器件 ，但采用 LCD 液晶顯示會造成設(shè)計(jì)成本增加 。 LCD1602可以顯 示 2 行 16 個字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7，和 RS、 R/W、 EN 三個控制端口，工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背 光 [10]。 具體引腳說明如 表 21所示。 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 表 21 LCD1602液晶顯示器引腳說明 LCD1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ CGROM)已經(jīng)存儲了 160 個不同 的點(diǎn)陣字符圖形，如表 1 所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、 常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，它的讀寫操作、 屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。 最后綜合了多方面因素的考慮采用了方案二，選擇 LCD1602 顯示器 作為系統(tǒng)的顯示界面 。 系統(tǒng)時鐘芯片選擇 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時時鐘芯片，附加 31字節(jié)靜態(tài) RAM，采用 SPI 三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和 RAM 數(shù)據(jù)。實(shí)時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與 31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá) ～ 。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。 DS1302 用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛 應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。 DS1302 實(shí)物和管腳圖分別如圖 2圖 26所示。 寧波工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 圖 25 DS1302 實(shí)物圖 圖 26 DS1302 管腳定義 DS1302 各引腳的功能為： VCC1：備用電源； VCC2：主電源。當(dāng) VCC2VCC1+ 時，由 VCC2 向 DS1302 供電，當(dāng) VCC2 VCC1 時，由 VCC1 向 DS1302 供電。 SCLK：串行時鐘，輸入； I/O：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線； CE：輸入信號，在 讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一， CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次， CE 提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā? DS1302 有關(guān)日歷、時間的寄存器共有 12個，其中有 7個寄存器（讀時 81h～8Dh，寫時 80h～ 8Ch），存放的數(shù)據(jù)格式為 BCD碼形式 。 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 由于該系統(tǒng)中 51 單