【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 此芯片將會(huì)減少很多外圍電路的設(shè)計(jì)工作，該芯片 具有 非常 高 的 集成度 ， 抗干擾性 能 也非常 強(qiáng) 。該 芯片的選用 降低了電子秤的整機(jī)成本， 同時(shí) 也大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理 電路部分的 設(shè)計(jì)，提高了整機(jī)的性能 ，增強(qiáng) 了可靠性。 單片機(jī)對(duì) 該芯片 的 編程 也 非常簡(jiǎn)單，芯片內(nèi)部的寄存器 是 不需要基于 單片機(jī)的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 進(jìn)行編程的 ，數(shù)據(jù) 和控制 信號(hào) 直接通過(guò)芯片引腳驅(qū)動(dòng) 。 模擬信號(hào) 的 輸入 有 通道 A 和 通道 B 兩個(gè) 通道 都有 對(duì) 應(yīng) 的 可編程 信號(hào) 放大器 ， 。 其中 A 通道 的增益 可以 通過(guò)編程在 128 和 64 之間方便 地切換 ， 128 增益 時(shí)最大的 輸入 信號(hào) 幅值為 177。20mV ， 64 增益 時(shí)最大輸入 信號(hào) 電壓 幅值 為177。40mV 。 B 通道 的 增益 值 是固定的 為 64， 一般可以 利用 B通道進(jìn)行系統(tǒng) 檢測(cè)。 由于 芯片內(nèi) 部集成 了優(yōu)質(zhì)的 電源 模塊， 因此稱重 傳感器 以及 芯片內(nèi) 部 的 A/D 可以 從芯片 直接 獲取 電源， 因此 系統(tǒng) 電路 板上無(wú)需 額 外的模擬電源 供電 ，非常 地 方便 。 另外片內(nèi) 集成了穩(wěn)定的時(shí)鐘振蕩 電路 ， 芯片 外 部 不需要 再 接 任何 器件 。當(dāng)系統(tǒng) 通 電 時(shí)， HX711 芯片會(huì)完成 復(fù)位 的 過(guò)程， 不需要額外的初始化程序。 人機(jī) 交互界面 采用 4*4 薄膜型矩陣鍵 盤來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的輸入和相關(guān)功能的切換 ，顯示模塊選取的 是 12864 液晶， 該 液晶 具有中英文顯示 的 能 力 ，顯示重量，單價(jià)，總價(jià)，以及時(shí)間 和 溫度 ，顯示效果 清晰 醒目。該液晶是 晶訊聯(lián)公司 產(chǎn) 的 128*64 漢字 液晶 屏 ，該 液晶 既可以當(dāng) 普通的圖像型液晶顯示模塊使用 ，同時(shí) 內(nèi)置中文 字庫(kù) IC， 編程者 可以從字庫(kù) IC 中 直接讀 取內(nèi)部 字庫(kù)的字形 數(shù)據(jù) ， 然后再 寫入到 12864 的 驅(qū)動(dòng) IC中， 漢字就可以 顯示出 來(lái) 了 。 輔助 功能模塊 部分 ，時(shí)鐘 模塊 選擇了 現(xiàn)在非常 流行 常用的 DS1302， 溫度檢測(cè) 模塊是 高精度數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 至此 本系統(tǒng)的主要 設(shè)計(jì) 方案就 已經(jīng) 介紹完了，系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì)總體上 優(yōu)先 采用 了目前比較成熟和常見的方案，這樣系統(tǒng)就 可以 具有 很高的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也可以有效地降低系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本。 各個(gè)模塊選型的 分析 系統(tǒng) 要求單片機(jī)控制 稱重 傳感器的 數(shù)據(jù) 采集，以及 控制 A/D 轉(zhuǎn)換 的時(shí)序，同時(shí) 還 需要 控制擴(kuò)展功能的 時(shí)鐘 ，溫度和 液晶等模塊 的工作時(shí)序 。 據(jù)此 分析 ， 51 單片機(jī) ， AVR 單片機(jī) ， MSP430系列 單片機(jī) ， PIC 單片機(jī) 以及 ARM 單片機(jī)均 符合 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 。 但是 考慮到 系統(tǒng) 對(duì) 單片機(jī)的處 理 速度 和系統(tǒng) 資源 都 沒有特別高的要求， 因此系統(tǒng) 從開 發(fā) 難度和 周期 以及實(shí)現(xiàn)成本考慮宜 于采用成本低廉 且技術(shù)成熟 的 單片機(jī)，綜合考慮決定選用 51 單片機(jī) ， 51系列 單片機(jī) 是 目前 是應(yīng)用最 為 廣泛的 單片機(jī) 之一， 技術(shù)比較成熟 ， 開發(fā) 難度 適中。 51 系列 單片機(jī)是 由 最初的 Intel8031 單片機(jī) 發(fā)展 而來(lái)的一系列單片機(jī)。 剛開始 的 51 單片機(jī) 程序 燒寫 非常麻煩，之后閃存技術(shù) 發(fā)展 迅速 發(fā)展， Flash 的引入使 51 單片機(jī) 開始快速 發(fā) 展，逐漸 成為 非常經(jīng)典 的 8位機(jī) ， 其應(yīng)用范圍非常 之 廣 。 其 中 ATMEL 公司 的 AT89 系列 51單片機(jī)最具 代表性 ， 曾經(jīng) 一度十分 地風(fēng) 靡 。 之后許多 公司 紛紛 推出 自己 的 51 內(nèi)核單片機(jī) ， 其中 國(guó)內(nèi)的基于 單片機(jī)的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 佼佼者便是宏晶科技，他們生產(chǎn)的增強(qiáng)型 51 單片機(jī)以 其強(qiáng)大的性能和低廉的價(jià)格深受開發(fā)者的喜愛和追捧，本系統(tǒng) 選用的 單片機(jī)便是出自宏晶公司， 可以 預(yù)見今后很長(zhǎng)一段時(shí)間 51 單片機(jī) 仍 將占有大量市場(chǎng)。 本系統(tǒng) 之所以 最終選擇了 STC89C52 是 因?yàn)?STC89C52 是一種 經(jīng)典 的 低功耗、高性能 的 8 位單片機(jī) ， 目前 使用范圍非常廣。 STC89C52 內(nèi)置 8K 字節(jié) 的 在系統(tǒng)可編程 的 flash rom。 STC89C52采 用 傳統(tǒng) 51 內(nèi)核 的同時(shí)又有 非常 多 項(xiàng) 有益 的改進(jìn) ， 可謂 是舊瓶 裝新酒，使得 STC89C52 成為 一款真正的增強(qiáng)型單片機(jī) ，使其 成為 嵌入式控制應(yīng)用 首選的 單片機(jī)之一。 STC89C52RC 單片機(jī) 的 特 性 ： ① 屬于 增強(qiáng)型 的 8051 系列 單片機(jī)， 其 指令 系統(tǒng) 與 經(jīng)典的 51 單片機(jī) 完全兼容 。 ② 寬 工作電壓： 分為 3V單片機(jī) 和 5V單片機(jī) 。 ③ 正常 工作 頻率 最高可達(dá) 48MHZ,同 工作 頻率 下代碼 執(zhí)行效率 大約 為 傳統(tǒng) 8051 的 兩倍 。 ④ 用戶應(yīng)用程序 存儲(chǔ) 空間為 8K 字節(jié) 。 ⑤ 片內(nèi)經(jīng)常 高達(dá) 512Byte 的 用戶數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)空間 。 ⑥ P0到 P3 總四組 32 個(gè) 通用 I/O 口 ， 四組 I/O 口 均是 準(zhǔn)雙向口 ， 其中 P0口 由于內(nèi)部無(wú) 上拉電阻 ， 因此 作為 普通 I/O 口 使 用 ，需 要 外部加上拉電阻 ， 當(dāng) P0 口 為 總線用時(shí)，無(wú)需 上拉電阻。 ⑦ 開發(fā)者 可以直接通過(guò) 和 實(shí)現(xiàn) 串口 下載 程序。 不用 像其他單片機(jī)那樣 還 需 要 專用 編程器 或 仿真器 ， 非常迅速 和便捷。 ⑧ 片內(nèi)集成 有 2KB的 EEPROM。 ⑨ 總 共 有 3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 。 ⑩ 總共 有 4 路 外部中斷 ， 可以 選擇 下降 沿 觸發(fā) 或低電平觸發(fā) ， 此外 單片機(jī)進(jìn)入節(jié)能 模式 時(shí) ，也可 被 外部中斷 以 低電平觸發(fā) 的 中斷方式 所 喚醒 。 STC89C52 的 實(shí)物圖如 23 圖 23 STC89C52實(shí)物 圖 STC89C52 的 管 腳 分布 如圖 24 基于 單片機(jī)的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 圖 24 STC89C52引腳 示意圖 目前 的 稱重傳感器 按 其 力電 轉(zhuǎn)換 的 方式 大致 可以 分為電阻應(yīng)變式 ，電容 應(yīng)變式， 液壓 轉(zhuǎn)換式 ， 光電 轉(zhuǎn)換 式 ， 壓電 感應(yīng) 式 以及新興 的 陀螺儀式 等 。下面 就將各種傳感器的工作原理和 適用范圍 一一做以介紹。 ① 光電式傳感器 ， 主要 有 光柵 與 碼盤 這 兩 類 。 Ⅰ .光柵式傳感器 有 兩塊光柵，其中一塊是固 定，還有一塊 位于 表盤軸可移動(dòng)。 當(dāng) 承重臺(tái)上 放有待測(cè) 物時(shí) ， 被測(cè)物 的 重力通過(guò) 杠桿 作用 在 表盤軸 上 從而使其 旋轉(zhuǎn)， 則 表盤軸上的 移動(dòng)光柵 也隨之 轉(zhuǎn)動(dòng)， 光柵 產(chǎn)生的 莫爾條紋也 會(huì) 移動(dòng)。 再 通過(guò) 光電管 換 算出 發(fā)生移動(dòng) 的 莫爾條紋 的 數(shù)量，從 而 把 轉(zhuǎn)軸 的 角 度 位移轉(zhuǎn)換成 了 對(duì)應(yīng) 的光電信號(hào)。 我們通過(guò) 測(cè) 量 光柵 的 轉(zhuǎn)動(dòng)角 度 ， 就可以 最終被測(cè)物 的 實(shí)際 質(zhì)量。 Ⅱ .碼盤式傳感器 也是 通過(guò) 把 碼盤的 轉(zhuǎn)動(dòng) 角度轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)來(lái)工作的。 被測(cè)物 體 放 在承重臺(tái)上 時(shí) 重力作用 施加于 杠桿使表盤 轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 和 轉(zhuǎn)軸相連的 碼盤 亦 隨之 轉(zhuǎn)動(dòng) 。光電池 可以 把 光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 因此 碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度 和 光電池 的 電 信號(hào) 呈 一定關(guān)系，輸出的電信號(hào) 經(jīng) 由數(shù)字 化處理， 就可以 得到待測(cè)物的實(shí)際質(zhì)量 。 以前 的 機(jī)電結(jié)合秤上 光電式傳感器曾 經(jīng) 被大量 使用 。 ② 壓磁式稱重傳感器是 通過(guò)檢測(cè) 鐵芯上繞的線圈的阻抗變化， 間接 得到待測(cè)物質(zhì)量的 。我們知道 鐵磁材料的磁導(dǎo)系數(shù) 與 磁阻 會(huì) 隨著其所受外力的大小發(fā)生相應(yīng)的改變 ， 而磁 導(dǎo)系數(shù)和磁阻的變化會(huì) 引起 線圈阻抗 的 變化， 也可以 說(shuō) 線圈阻抗的變化與 外力 大小 成一定 的 比例關(guān)系， 我們 通過(guò)檢 測(cè) 線圈阻抗的變化， 就 可 以 得到外力 的 大小， 進(jìn) 而求出 待測(cè) 物體的質(zhì)量 。 ③ 壓電式稱重傳感器 是 通過(guò) 晶體 表面 電荷的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象測(cè)定物體質(zhì)量的。 一定方向 的 外 力 作用 與某些 晶體介質(zhì)時(shí) ， 晶體 內(nèi)部 的 正負(fù)電荷 會(huì)發(fā)生相反 方向的移動(dòng) ， 晶體 表面 的 兩個(gè)方向就聚集了基于 單片機(jī)的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 大量 符號(hào) 相反 的 束縛電荷， 這些 束縛電荷 的 電荷密度與 外力的 大小成正比關(guān)系 ， [18]據(jù)此可以得到物體的實(shí)際質(zhì)量。 ④ 液壓式稱重傳感器 的 量程比較大，一般應(yīng)用 于 工業(yè)場(chǎng)合。 它的原理 也比較簡(jiǎn)單， 是 通過(guò)其內(nèi)部液壓油的 壓強(qiáng) 變化達(dá)到測(cè)量目的的。 當(dāng) 中午作用于液壓油 時(shí) ，液壓油會(huì)受到壓縮，所以其 壓強(qiáng) 會(huì) 增大，增大的程度 與 物體重力 有關(guān) 。 我們 可以 通過(guò) 測(cè)出壓 強(qiáng)的 變化 ， 來(lái) 確定被測(cè)物的質(zhì)量。液壓式稱重傳感器 的 結(jié)構(gòu) 相對(duì) 簡(jiǎn)單， 穩(wěn)定性 好 ，但 是 其 準(zhǔn)確度 很低 。 ⑤ 電容 應(yīng)變 式稱重傳感器 的 工作原理 是 彈性體 上 固定有電容器， 當(dāng) 被測(cè) 物體 作用 于彈性體時(shí)，彈性體會(huì)發(fā)生形變，從而引起電容極板間距的變化。 我們知道 電容器的電容大小和其 極 板間距有關(guān) ，當(dāng) 電容發(fā)生變化時(shí) ， 電路 的震蕩頻 率會(huì)發(fā)生變化。 通過(guò)計(jì)算 得知 振蕩電路的振蕩頻率 與電容 器的 極板間距 呈 正比例 的 關(guān)系 。 很明顯 ， 電容器 極板間距的變化和待測(cè)物的質(zhì)量有關(guān)， 通過(guò) 測(cè)量 電路的 變化 量 。 我們 就 可 以 求出被測(cè)物的 實(shí)際 質(zhì)量。電容式稱重傳感器 價(jià)格 便宜 ， 功率消耗低 ，精確度在 1/200 和 /500 之間 。 ⑥ 振動(dòng)式稱重傳感器 的 金屬絲 或 金屬 膜 的 尺寸 ， 材 質(zhì) 和 密度 都 一定時(shí)， 其固有 頻率就 只 與其受到 的 外部力的大小有關(guān)。 不同的 待測(cè)物施加的 重力也不同 ，金屬絲 的 振動(dòng)頻率也就 會(huì) 發(fā)生不同的 改變， 我們 設(shè)法用 頻 率 測(cè)量?jī)x 器 測(cè)出 金屬 絲震蕩頻率的 改變 ， 就 可求得 待測(cè)物 的 質(zhì)量。振動(dòng)式稱重傳感器 分為 音叉式 以及 振弦式 。 Ⅰ .振弦式稱重傳感器的 核心部分 是 弦絲。 弦絲 在 傳感器中是以 V字形固定的。 當(dāng)有被測(cè)物 作用 于 弦絲 時(shí)，弦絲的 V形 交 匯 點(diǎn) 會(huì) 向下 移動(dòng) ， 與此同時(shí) 弦的 左半部 拉力 增大， 弦的 右 半部 拉力減小。弦的 左右 兩部分的 固有頻率 都會(huì) 發(fā)生 就 會(huì)發(fā)生 變化 ，兩部分 的頻率之差 和 物體的質(zhì)量 有一定關(guān)系 ， 我們 得到這個(gè)頻率差 就 可 以 求出被測(cè)物的質(zhì)量。振弦式傳感器的 精確度高達(dá) 到 ， 其 量 程可達(dá) 幾百千克 的 級(jí)別 ， 優(yōu)勢(shì) 比較明顯。 但 與此同時(shí) 其 結(jié)構(gòu) 過(guò)于 復(fù)雜，加工難度 非常 大， 因此 造價(jià) 很 高 ， 只適用于特殊場(chǎng)合。 Ⅱ .壓電元件 固定 在音叉的頂部 ， 壓電元件 可以 隨音叉 一起 振動(dòng)， 通過(guò)壓電 元件可以測(cè)出音叉的 固有 振蕩頻率。當(dāng)音叉受 到 待測(cè)物的重力作用時(shí) 其 固有頻率 會(huì) 增 大 ， 頻率增大 的量 與 重 力 大小 的平方根成正比。 可見音叉 固有頻率的變化 量 反映了物體的質(zhì)量大小 ， 求出 音叉頻率的變化量就可以 得到 物 體 的 質(zhì)量。音叉式稱重傳感器 功耗低 ，計(jì)量準(zhǔn)確度 高 ， 可惜最大 量程只有10kg。 ⑦ 陀螺儀式稱重傳感器是 最 近幾年來(lái) 新 興 的 一種新型 數(shù)字 型稱重傳感器 。這種 傳感器的工作原理利用了陀螺的進(jìn)動(dòng) 特征 與力矩效應(yīng) ， 陀螺儀式稱重傳感器 的 位移 與 物體作用力不在一個(gè)方向基于 單片機(jī)的稱重控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 上 ， 不必考慮 靜 態(tài) 平衡問題。 這種傳感器 幾乎 不存在 滯后 性 ， 線性 非常 好， 精度 高， 響應(yīng) 速度快，抗干擾能力 很 強(qiáng)。 陀螺儀式稱重傳感器 最大 的特 點(diǎn) 是 它 輸出的信號(hào) 直接就是 數(shù)字型的，可供單片機(jī)直接處理，無(wú)需再經(jīng)過(guò) 模 數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程，使用起來(lái)非常方便。 ⑧ 電阻應(yīng)變式稱重傳感器 內(nèi)部的 彈性體上 有 四個(gè)電阻應(yīng)變計(jì) ， 構(gòu)成了 惠更斯電橋，待測(cè)物重力使 當(dāng) 彈性體 產(chǎn)生形變 ， 其上 的 電阻應(yīng)變計(jì) 的 電 阻發(fā)生不同的變化，電橋的平衡狀態(tài) 被 打破， 輸出 相應(yīng)的電信號(hào)。 由于 輸出的電 信號(hào) 與物體的重力存在線性關(guān)系，所以 通過(guò) 后面 的 信號(hào)處理電路 測(cè)出 這個(gè) 電 信號(hào) 的 幅值 ， 就可以 測(cè)出 物體 的 實(shí)際 質(zhì)量。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的 量程范圍 很大 ， 最高 可稱量上千千克的 物體 ， 其 計(jì)量準(zhǔn)確度 也比較 高。 電阻應(yīng)變式稱重傳感器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以 適應(yīng)大部分的工作環(huán)境， 可靠性 也 較好。 因此 目前 這 種 稱重傳感器 得到了 非常廣泛的應(yīng)用 。 綜上 所述， 反復(fù) 對(duì)比各類稱重傳感器后 可以 得出結(jié)論 ： 從 技術(shù) 成熟度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，計(jì)量精確度和制造成本綜合考慮