【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 一個(gè)重要的品種 ,實(shí)際應(yīng)用及其廣泛。稱重傳感器中最多的是電阻應(yīng)變式稱重 ,應(yīng)變片是稱重傳感器的核心單元 ,彈性體是基礎(chǔ)組成部分。稱重傳感器按結(jié)構(gòu)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(cè)能力較強(qiáng)。柱式傳感器的測(cè)量范圍都很大，一般最大可以達(dá)到幾百噸，它剛性好，抗過(guò)載能力強(qiáng)，加工也簡(jiǎn)單，重量也比較輕。輪輻式傳感器由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，所以能夠承受大的側(cè)向力，由于它有較大的滯后誤差，很多場(chǎng)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(biāo)定方便，普遍應(yīng)用于汽車秤跟平臺(tái)秤等多個(gè)場(chǎng)合。柱環(huán)式傳感器由于本身的結(jié)構(gòu)特性目前大多僅用于測(cè)量拉力，其精度一般在 到 之間。剪切梁 式傳感器運(yùn)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(bǔ)償都能達(dá)到要求。它不受測(cè)力點(diǎn)變化的影響。測(cè)量范圍在幾十千克的場(chǎng)合一般選用單 S 梁式傳感器，它不適合在振動(dòng)大的時(shí)候使用。 8 圖 25 傳感器工作原理圖 稱重傳感器在選用過(guò)程中一般要考慮以下問(wèn)題： (1)安裝要求，有些場(chǎng)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(jí)。精度等級(jí)通常由彈性體結(jié)構(gòu)決定，以及處理過(guò)程中是否有線性補(bǔ)償。 (4)傳感器的量程范圍。估算被測(cè)物體的最大重量在多少，要想獲得較準(zhǔn)備 的測(cè)量數(shù)值一般選擇的量程是被測(cè)體最大重量的 2 到 倍。 (5)傳感器使用過(guò)程受溫度影響的特性和蠕變特性 經(jīng)過(guò)查詢資料對(duì)比，適合本設(shè)計(jì)的可以用平行梁應(yīng)變式傳感器，最大量程為 5Kg，精度為 %，滿量程時(shí)誤差為 +；有考慮到秤臺(tái)自重，震動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重破壞傳感器，允許最大量程時(shí)誤差 +，可滿足本系統(tǒng)的精度要求。它的特點(diǎn)：精度高、易加工、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗偏載能力強(qiáng)、固有頻率高。其工作原理如圖 25 所示： 其工作原理：用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其粘貼在彈性體上。當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，應(yīng)變片 的的敏感柵也隨之變形，其阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓的變化。由于內(nèi)部線路采用惠斯通電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式（ 21）給出： E i nR4 R4R3 R3R2 R2R1 R1)42( 42E ??????? ??????? △△△△RR RRout （ 21） A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會(huì)使得整個(gè)設(shè)計(jì)毫無(wú)意義。 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(shí)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(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開(kāi)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 ， 9 對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)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(cè)。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(wú)需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)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(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為 128。同時(shí)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器無(wú)需任何外接器件，必要時(shí)也可使用外接晶振或時(shí)鐘。選用上電自動(dòng)復(fù)位電路簡(jiǎn)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(wú)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(pán)處理部分方案的論證 目前，微機(jī)系統(tǒng)中最常用的是觸電式開(kāi)關(guān)按鍵。在編寫(xiě)單片機(jī)程序時(shí)，鍵盤(pán)作為一種人機(jī)接口的方式實(shí)現(xiàn)，是很常用的。而一般的實(shí)現(xiàn)方法包括： ① 外接鍵盤(pán)掃描芯片（例如 8279,7279 等），然后由該芯片來(lái)完成去抖、鍵值讀取、中斷請(qǐng)求等功能。最后單片機(jī)響應(yīng)中斷并讀取鍵值，有時(shí)也可以采用輪訓(xùn)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(jī)的 I/O 口，然后各按鍵取邏輯或送到單片機(jī)的中斷管腳（對(duì)于 51 體系），單片機(jī)響應(yīng)中斷后再去讀取 I/O 口的數(shù)據(jù)。如果單片機(jī)的中斷向量比較少（例如 AVR 系列單片機(jī)，每個(gè) I/O 口都可以作為中斷），也可以直接把各個(gè)鍵盤(pán)接到每個(gè)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(gè)操作序列：延時(shí)一定的時(shí)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(cè)按鍵的按下、釋放及長(zhǎng)按鍵等事件。第二種方法同樣不容易檢測(cè)按鍵的按下、 釋放及長(zhǎng)按鍵等事件。且采用軟件延時(shí)的方式，浪費(fèi) CPU 資源，很不可取。 鑒于上述兩種方法的缺點(diǎn)，我們可以采用掃描式的方法來(lái)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(hào)，然后分析并確定按鍵事件。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的電子秤需要設(shè)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(jī)交換的主要部分，它可以將測(cè)量電路測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) CPU 處理后直觀的顯示出來(lái)。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(jì)算器，從袖珍儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)以及一些文字處理機(jī)都用到了液晶顯示器。 LCD 液晶顯示具有顯示質(zhì)量高，數(shù)字式接口，體積小，重量輕，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此，本次設(shè)計(jì)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(hào)和圖形。 10 超量程報(bào)警部分的選擇 智能儀器一般都具有報(bào)警和通訊功能，報(bào)警主要用于系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)、當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)超過(guò)儀表量程或者是超過(guò)用戶設(shè)置的上下限時(shí)為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè) 置報(bào)警的目的就是在超出電子秤測(cè)量范圍時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提示用戶，防止損壞儀器。 超限報(bào)警電路是由單片機(jī)的 I/O 口來(lái)控制的，當(dāng)稱重物體重量超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所允許的重量時(shí)，通過(guò)程序使單片機(jī)的 I/O 值為高電平，報(bào)警燈 D2 發(fā)光。 3 硬件電路設(shè)計(jì) STC89C52 單片機(jī)介紹 STC89C52 單片機(jī)綜述 單片機(jī)的誕生標(biāo)志著計(jì)算機(jī)正式形成了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)分支。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要用于海量高速數(shù)值運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(luò)通信中得到了廣泛的應(yīng)用；單片機(jī)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(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動(dòng)化設(shè)備以及通信產(chǎn)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(jī)的出現(xiàn)大大促進(jìn)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，成為近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史上一個(gè)重要里程碑。 單片機(jī)的典型代表是 Intel 公司在 20 世紀(jì) 80 年代初設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 MCS51 單片機(jī)。后來(lái) Intel 公司把 MCS51 的核心技 術(shù)授權(quán)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(jī)，當(dāng)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(guó)非常流行的單片機(jī)，這是由美國(guó) ATMEL 公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)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(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度 非 易失性存儲(chǔ)器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和 引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及 時(shí)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(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)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(shí)會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，受 到不同壓力或拉力是產(chǎn)生的電信號(hào)也隨著變化，而且力與電信號(hào)的關(guān)系一般為線性關(guān)系。由于稱重傳感器一般的輸出范圍為 0～ 20mV，對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換或單片機(jī)的工作參數(shù)來(lái)說(shuō)不能使 A/D 轉(zhuǎn)換和單片 11 機(jī)正常工作，所以需要對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號(hào)，所以需要對(duì)其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)接收。單片機(jī)根據(jù)稱重傳感器輸出的電信號(hào)和速度傳感器輸出的速度信號(hào)計(jì)算出物體的重量。在本系統(tǒng)中，硬件電路的構(gòu)成主要有以下幾部分： STC89C52 的最小系統(tǒng)構(gòu)成、電源電路、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交換電路等 [9]。 STC89C52 的最小系統(tǒng)電路構(gòu)成 STC89C52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路及單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)片內(nèi)各種操作的時(shí)間基準(zhǔn)，復(fù)位操作則使單片機(jī)的片內(nèi)電路初始化，使單片機(jī)從一種確定的初態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。最小系統(tǒng)圖如下 32 所示。 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)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(jiǎn)稱晶振 )或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。 當(dāng) 單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST 持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 上電或開(kāi)關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開(kāi)關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)，其中包括使程序計(jì)數(shù)器 PC＝ 0000H，這表明程序從 0000H 地址單元開(kāi)始執(zhí)行。 系統(tǒng)復(fù)位是任何微機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行的第一步，使整個(gè)控制芯 片回到默認(rèn)的硬件狀態(tài)下。 51 單片機(jī)的復(fù)位是由 RESET 引腳來(lái)控制的，此引腳與高電平相接超過(guò) 24 個(gè)振蕩周期后， 51 單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到 RESET 引腳轉(zhuǎn)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(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。 A/D 轉(zhuǎn)換器與 STC89C52 單片機(jī)接口電路 HX711 是 24 位單片 A/D 轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 25us，轉(zhuǎn)換精度為 %，所以適合于高精度的快速轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)。芯片內(nèi)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(wú)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(biāo)準(zhǔn)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(hào)有： VBG：字節(jié)選擇控制信號(hào)。 VSUP：片啟動(dòng)信號(hào)。 VFB：片選信號(hào)。當(dāng) CS=0， CE=1 同時(shí)滿足時(shí)， HX711 才處于工作狀態(tài)，否則工作被禁止。 INNA：讀數(shù)據(jù) /轉(zhuǎn)換控制信號(hào)。 PDSCK：數(shù)據(jù)輸出格式選擇 控制信號(hào)。當(dāng)其為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng) 12 位并行輸出；為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)8 位輸出。 當(dāng) R/C=0，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換： 當(dāng) A0=0，啟動(dòng) 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換方式；當(dāng) A0=1，啟動(dòng) 8 位轉(zhuǎn)換方式。 當(dāng) R/C=1，數(shù)據(jù)輸出， A0=0 時(shí)，高 8 位數(shù)據(jù)有效； A0=1 時(shí)，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(hào)有： XI：工作狀態(tài)信號(hào)線。當(dāng)啟動(dòng) A/D 進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)， HX711 為高電平；當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為低電平。則可以利用此線驅(qū)動(dòng)一信號(hào)二極管的亮滅，從而表示是否處于 A/D 轉(zhuǎn)換。 由于對(duì) HX711 的 12 引腳的外接電路有不同連接方式，所以 HX711