【文章內(nèi)容簡介】 ，我們最終選擇了 AT89S52 通用的普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。 AT89S52 是一種兼容 MCS51 微控制器，工作電壓 到 ，全靜態(tài)時鐘 0 Hz 到 33 MHz，三級程序 加密， 32 個可編程 I/O 口， 2/3個 16 位定時 /計數(shù)器， 6/8 個中斷源，全雙工串行通訊口，低功耗支持 Idle 和Powerdown 模式， Power down 模式支持中斷喚醒 , 看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，上電復(fù)位標(biāo)志。我們在外面擴展了 32K 數(shù)據(jù)存儲器，以滿足系統(tǒng)要 求 。 多功能電子秤 8 數(shù)據(jù)采集部分的方案確定 傳感器 傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換部分指傳感器中能將敏感元 件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分?，F(xiàn)代科技的快速發(fā)展使人類社會進入了信息時代，在信息時代人們的社會活動將主要依靠對信息資源的開發(fā)和獲取 、傳輸和處理，而傳感器處于自動檢測與控制系統(tǒng)之首，是感知獲取與檢測信息的窗口；傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，因此，傳感器的地位與作用特別重要。 方案一 壓電傳感器 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：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。 方案二 電阻應(yīng)變式傳感器 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，但因機械應(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。 下圖為一直流供電的平衡電阻電橋， inE 接直流電源 E： 多功能電子秤 9 )( 43 421 1 RR RRR RE ????))(( 4321 4231 RRRR RRRRE ?? ??3421 RRRR ?? ?? ?? ?)()()()( )()( 22 RRRRRRRR ERRRRuo ?????????? ??????ERR??? 圖 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 當(dāng)電橋輸出端接無窮大負載電阻時， 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 （ ） ，則電橋輸出為 Ek?? () 應(yīng)變片式傳感器有如下特點： 1. 應(yīng)用和測量范圍廣，應(yīng)變片可制成各種機械量傳感器。 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，可在高溫、高壓、強磁場等特殊環(huán)境中使用，頻率響應(yīng)好。 多功能電子秤 10 4. 商品化，使用方便，便于實現(xiàn)遠距離、自動化測量。 通過以上對傳感器的比較分析，最終選擇了第二種方案。題目要求稱重范圍 0～ 5Kg，重量誤差不大于 ? ，于是我選擇的是 HL8 型稱重傳感器，量程 5Kg，精度為 %，滿量程時誤差 ? ，完全滿足本系統(tǒng)的精度要求。 HL8 型稱重傳感器 主要技術(shù)參數(shù)如下 表 所示 ： 表 HL8 型稱重傳感器主要技術(shù)參數(shù)表 受力方式 ： 圖 HL8 型傳感器 受力方式 圖 運放與 A/D 轉(zhuǎn)換器部分 經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行 A/D 轉(zhuǎn)換。為此，測量電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。 放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，多功能電子秤 11 內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因 此，一般對放大器有如下一些要求： 1. 輸入阻抗應(yīng)遠大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差。 2. 抗共模電壓干擾能力強。 3. 在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。 A/D 轉(zhuǎn)換器選用的原則： 1. A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。 A/D 轉(zhuǎn)換器決定分辨率的高低。在系統(tǒng)中， A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)比系統(tǒng)允許引用誤差高一倍以上。 2. A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率。不同類型的 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率大不相同。積分型的轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換時間從幾豪秒到幾十毫 秒，只能構(gòu)成低速 A/D 轉(zhuǎn)換器，一般用于壓力、溫度及流量等緩慢變化的參數(shù)測試。逐次逼近型屬于中速 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為納秒級，用于個通道過程控制和聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 3. A/D 轉(zhuǎn)換器的有關(guān)量程引腳。有的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供兩個輸入引腳，不同量程范圍內(nèi)的模擬量可從不同引腳輸入。 4. A/D 轉(zhuǎn)換器的晶閘管現(xiàn)象。其現(xiàn)象是在正常使用時， A/D 轉(zhuǎn)換器芯片電流驟增，時間一長就會燒壞芯片。為防止這種現(xiàn)象，可采取如下措施： 1) 加強抗干擾措施，盡量避免較大的干擾電流進入電路； 2) 加強電源穩(wěn)壓濾波措施， 在 A/D 轉(zhuǎn)換器電源入口處 加退耦濾波電路，為防止窄脈沖波竄入在電解電容上再接一高頻濾波電容； 3) 在 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源端接一限流電阻，可在出現(xiàn)晶閘管現(xiàn)象時，有效地把電流限定在允許范圍內(nèi)，以防止燒壞器件。 選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器除考慮上述要點外，為防止對 A/D 轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)的影響，還要注意以下幾個問題： 1) 工作電源電壓是否穩(wěn)定； 2) 外接時鐘信號的頻率是否合適； 3) 工作環(huán)境溫度是否符合器件要求； 4) 與其它器件是否匹配； 多功能電子秤 12 5) 印刷線路板布線是否合理。 總上分析，我選擇了高精度高增益 24位 A/D 芯片 HX711， HX711 是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計的 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(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，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)位功能簡化了開機的初始化過程。 高精度高增益 24 位 A/D 芯片 HX711 具有以下 特點 ： 1) 兩路可選擇差分輸入 ； 2) 片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為 64 和 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，必要時也可使用外接晶振或時鐘 ； 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 ； 9) 耗電量（含穩(wěn)壓電源電路）：典型工作電流： , 斷電電流： 1μA ； 10) 工作電壓范圍： ~ ； 高精度高增益 24 位 A/D 芯片 HX711 在電子秤應(yīng)用中的典型電路： 多功能電子秤 13 圖 HX711 在電子秤應(yīng)用中的典型應(yīng)用方案圖 人機交互部分 鍵盤輸入 鍵盤輸入是人機交互界面中重要的組成部分，它是系統(tǒng)接受用戶指令的直接途徑。 鍵盤是由若干個按 鍵開關(guān)組成，鍵的多少根據(jù)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的用途而定。鍵盤由許多鍵組成，每一個鍵相當(dāng)于一個機械開關(guān)觸點，當(dāng)鍵按下時，觸點閉合，當(dāng)鍵松開時，觸點斷開。單片機接收到按鍵的觸點信號后作相應(yīng)的功能處理。因此，相對于單片機系統(tǒng)來說鍵盤接口信號是輸入信號。 方案一 Intel8279 是一種 為 8 位微處理器設(shè)計的 比較成熟的 通用 鍵盤 /顯示器接口 芯片， 其功能有：接收來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)，并作預(yù)處理；數(shù)據(jù)顯示的管理和數(shù)據(jù)顯示器的控制。 但是在與單片機 編程中比較復(fù)雜 。 方案二 采用最常用的 4*4 矩陣鍵盤 ， 4*4 矩陣編程簡單， 大大簡化 了程序。 因此，我 選擇 4*4 矩陣鍵盤 。 輸出顯示 方案一 全部采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼能顯示時鐘，以及被測物體的重量等信息 。 此方案顯示直觀，而且編程簡單，但若要同時顯示單價，金額等諸多信息則需要要大量的數(shù)碼管。由此增加 了電路的復(fù)雜程度 ， 也加大了編程的難度。 方案二 采用 可以設(shè)置顯示單 價 ，金額， 時間 日期等 的 LCD，它 具有低功耗、可視面大、畫面友好 及 抗干擾能力強等功能， 其 顯示技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。 LCD 顯示器的工作原理：液晶顯示器的主要材料是液態(tài)晶體。它在特定的溫度范圍內(nèi)，既具有液體的流動性，又具 有晶體的某些光學(xué)特性，其透明度和顏多功能電子秤 14 色隨電場、磁場、光照度等外界條件變化而變化。因此，用液晶做成顯示器件，就可以把上訴外界條件的變化反映出來從而形成現(xiàn)實的效果。 所以我 選擇了 太陽人公司的 點陣式 1602 液晶 。 系統(tǒng)電源 考慮到系統(tǒng)電源部分的簡單我采用了我手中剛好有的外部 9V 電源，但由于單片機 需要＋ 5V 電源 ，所以板內(nèi)電路應(yīng)用了 LM7805 穩(wěn)壓片。 x78xX 系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為下 TO220．它有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常的廣泛：每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護和安全 工作區(qū)的保護使 它基本上不會損壞， 如果能夠提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于 的輸出電流。 雖然是按照固定電壓值來設(shè)計的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷螅湍苣塬@得各種不同的電壓和電流： 1. LM7805 的特點有： a) 最大輸出電流為 ， 輸出電壓為 5V； b) 熱過載保護 ， 短路保護 ； c) 輸出晶休管安全工作區(qū)保護 ； 2. 內(nèi)部框圖 ： 圖 LM7805 內(nèi)部框圖 3. 板內(nèi) 電源 電路 原理 圖 ： 多功能電子秤 15 圖 板內(nèi)電源電路原理圖 具體實施方案簡介 根據(jù) 以上 設(shè)計方案，硬件部分采用 51系列單片機 AT89S52 為控制核心部件，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。 AT89S52 是一款 8 位的內(nèi)帶 8K 程序存儲器的微控制器，考慮到用軟件實現(xiàn)電子秤系統(tǒng)的各項功能時，所需的軟件量并不是很大，不需要太大的程序存儲空間，因此在對 AT89S52 實際設(shè)計時不需要在片外再擴展程序存儲器，這樣不僅節(jié)省了硬件資源，也優(yōu)化了電路的設(shè)計。 系統(tǒng)的硬件部分不僅包括以單片機 AT89S52 為核心的最小系統(tǒng)部分，而且還包括 串口通信 、數(shù)據(jù)采集、人機交互界面和系統(tǒng)電源 、時鐘、溫度檢測和語言報數(shù)等 部分 。 串口通信主要用于單片機與 PC 機的通信，主要由 MAX232 實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集部分由 HL8型稱重 傳感器、 高精度稱重傳感器 專業(yè) 的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 部分組成。在具體選擇傳感器時，考慮到在稱量物品時必要的精度、準(zhǔn)確性要求，所稱物品的重量誤差必須要控制在一定的范圍之內(nèi) 。另外由于 秤臺的自身重量、振動和沖擊分量， 以及 還要避免物體超重時對傳感器