【正文】 電阻式壓力傳感器是一款常用的傳感器，擁有很多的優(yōu)點(diǎn)。綜合對(duì)比分析以上三種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，再考慮到本次設(shè)計(jì)的要求為稱重范圍0～5Kg，誤差不大于2g。 信號(hào)處理模塊信號(hào)處理模塊在本系統(tǒng)中包括信號(hào)放大與信號(hào)轉(zhuǎn)換兩個(gè)功能，所以應(yīng)該包括信號(hào)放大模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊。信號(hào)放大部分一般可以使用AD620。模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分可采用較為常用的ADC0832。它的兼容性高，體積小，因此經(jīng)常被大家使用。而且ADC0832的精度不算太高，對(duì)于需要高精度的電子秤來(lái)說(shuō)，不是最好的選擇。 不僅如此，HX711內(nèi)部還集成了完成放大和轉(zhuǎn)換功能所需要一些外圍電路，比如穩(wěn)壓電源，時(shí)鐘振蕩器等。此外，HX711與單片機(jī)之間主要是通過(guò)管腳來(lái)驅(qū)動(dòng)的,接口電路簡(jiǎn)單,不需要對(duì)芯片內(nèi)的寄存器進(jìn)行編程。這樣不僅能夠節(jié)省成本，而且可以大大的提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。方案一 LED數(shù)碼管顯示LED數(shù)碼管是一款常用的顯示器件，它內(nèi)部由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中有7個(gè)組成“8”字形，還有一個(gè)用來(lái)顯示小數(shù)點(diǎn)。但是數(shù)碼管可以顯示的信息有限，當(dāng)需要顯示的信息較多時(shí)，就用需要將多個(gè)數(shù)碼管級(jí)聯(lián)，這樣會(huì)導(dǎo)致硬件連接復(fù)雜，成本也會(huì)相應(yīng)增加；此外，數(shù)碼管對(duì)大部分字符不能很好的顯示，容易出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。它不僅顯示內(nèi)容豐富，還擁有很多數(shù)碼管不具備的優(yōu)點(diǎn)。LCD1602屬于液晶顯示器件中最為常用的一種。對(duì)比分析以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然都能成功顯示數(shù)據(jù)，但是考慮到設(shè)計(jì)精確度，以及人機(jī)交換界面的美觀，本設(shè)計(jì)選用的是第二種方案，即利用LCD1602來(lái)做顯示模塊。方案一 專用鍵盤(pán)接口芯片式專用鍵盤(pán)芯片內(nèi)部不僅集成了接收鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)的模塊，還帶有顯示接口，可以獨(dú)立的處理對(duì)鍵盤(pán)的掃描、消除抖動(dòng)以及編碼問(wèn)題。方案二 4*4矩陣薄膜鍵盤(pán)4*4矩陣薄膜鍵盤(pán)屬于薄膜開(kāi)關(guān)的一種，由上電路、面板、下電路、隔離層四個(gè)部分組成，內(nèi)部集成了16個(gè)小的按鍵開(kāi)關(guān)，并且按照矩陣式的排列著。對(duì)比分析以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然都能實(shí)現(xiàn)按鍵輸入的功能，但是考慮到成本的因素，而且第二種方案的可靠性相對(duì)也不低，并且還有很多其他優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選擇第二種方案作為按鍵模塊。由于電子秤設(shè)計(jì)的功能不是很多，所需要編寫(xiě)的程序量也就不大，因此不需要對(duì)STC89C52外擴(kuò)其他的程序存儲(chǔ)器，這樣可以避免硬件的浪費(fèi)。數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)部最主要的器件是變阻式壓力傳感器。但是由于傳感器輸出的信號(hào)一般比較微弱，因此需要對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)的放大，這樣就可以保證結(jié)果的可靠性。為了提高設(shè)計(jì)的精確度以及可靠性，減少不必要的誤差，本設(shè)計(jì)選用專為電子秤設(shè)計(jì)的高精度的轉(zhuǎn)換器HX711，不僅可以進(jìn)行信號(hào)的放大，而且可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中，按鍵控制模塊采用的是44矩陣薄膜鍵盤(pán)。在擴(kuò)展功能上，本設(shè)計(jì)添加了報(bào)警電路，當(dāng)物品重量超過(guò)量程時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)聲。 基于STC89C52的單片機(jī)控制模塊 STC89C52簡(jiǎn)介STC89C52是一種低電壓，高性能COMS 8位微處理器，它的程序存儲(chǔ)空間為8K字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為512字節(jié)，內(nèi)帶EEPROM存儲(chǔ)空間為4K字節(jié)，I/O接口線為32位。振蕩電路由一個(gè)晶體振蕩器和兩個(gè)電容并接到XTAL1和XTAL2引腳。電路中電容的作用是起振，一般情況下，電容值偏大雖然有利于振蕩器的穩(wěn)定，但是同時(shí)也會(huì)增加起振時(shí)間，所以電容值在許可范圍內(nèi)越低越好。為保證較高的精確度。由上面晶振頻率的選擇可知，本設(shè)計(jì)的機(jī)器周期約為1us，為了保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于2個(gè)機(jī)器周期，上電復(fù)位電路中電阻與電容的選擇由t=(3~5)RC來(lái)確定，因此可以選用電容為10uf，電阻為10K。分別與LCD1602顯示器的相應(yīng)功能管腳連接。P3口接信號(hào)處理模塊。變阻式壓力傳感器是根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)原理制成的。電阻應(yīng)變片把導(dǎo)體形變的信號(hào)轉(zhuǎn)換電阻變化的信號(hào)，但是由于變化的電阻值一般都比較小，直接測(cè)量得到的結(jié)果不精確。這種轉(zhuǎn)換電路經(jīng)常采用直流電橋。本設(shè)計(jì)中采用的是壓力變化轉(zhuǎn)化為電壓變化的輸出，即把此電橋當(dāng)做電壓橋。式（32）秤平衡條件。如果出現(xiàn)差動(dòng)工作，即出現(xiàn)R1=R△R，R2=R+△R，R3=R△R，R4=R+△R，按式（31），則電橋輸出為 (33)壓力與電壓的關(guān)系與傳感器的靈敏度、測(cè)重范圍和電路的激勵(lì)電壓有關(guān)。R1△RR2+△RR4+△RR3△R電阻橋 輸入Ein輸出EoutBACDINA+INA+式33中的Eout為變化的電壓值，輸出到信號(hào)處理模塊中進(jìn)行進(jìn)一步的處理。因此，可以得到下面的電路連接圖35：圖35 數(shù)據(jù)采集模塊連接圖 信號(hào)處理模塊信號(hào)處理模塊采用的是高精度的A/D轉(zhuǎn)換器HX711。它將一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的信號(hào)放大模塊與一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊集成在內(nèi)部，功能十分強(qiáng)大。通道A 的可編程增益為128 或64。HX711內(nèi)部還集成了完成放大和轉(zhuǎn)換功能所需要一些外圍電路，比如穩(wěn)壓電源，時(shí)鐘振蕩器等。 HX711引腳圖HX711引腳功能說(shuō)明，如圖36：圖36 HX711引腳圖模擬輸入通道A一般用作傳感器的接入端口，考慮到傳感器的輸出信號(hào)較小，因此此通道采用較大的增益，為64或128.通道B為固定的32增益。HX711芯片內(nèi)部含有穩(wěn)壓電源,可以直接向芯片內(nèi)的A/D 轉(zhuǎn)換器和外部傳感器提供電源，因此不需要其他的模擬電源。當(dāng)輸出端口DOUT是高電平狀態(tài)時(shí)，就表明HX711沒(méi)有準(zhǔn)備好開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)端口PD_SCK應(yīng)保持低電平狀態(tài)。通過(guò)第一個(gè)脈沖的上升沿可以讀出輸出數(shù)據(jù)的最高位，然后依次讀出24位數(shù)據(jù),直到第24個(gè)時(shí)鐘脈沖完成。表32 輸入通道和增益選擇PD_SCK脈沖數(shù)輸入通道增益25A12826B3227A64一般情況下，為了避免造成串口通信的錯(cuò)誤，PD_SCK 的輸入時(shí)鐘脈沖數(shù)應(yīng)在25到27之間，否則無(wú)法得到正確的輸出增益。由上面的介紹可得。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理后，再經(jīng)過(guò)后半部分的模/，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。LCD1602表示液晶顯示器上可以顯示兩行字符(或數(shù)字),且每行的字符(或數(shù)字)有16個(gè)。可以將Vss接地，VDD接電源正極，R/，數(shù)據(jù)端口D0D7口與單片機(jī)的P0口連接，用來(lái)控制顯示器的顯示。具體電路如圖39：圖39 LCD1602電路連接圖 按鍵電路 4*4按鍵簡(jiǎn)介矩陣鍵盤(pán)一般作為單片機(jī)的外部設(shè)備使用，一般情況下將按鍵排列成矩陣形式。水平線和垂直線交叉后伸出8根導(dǎo)線,連接到單片機(jī)的一個(gè)端口,可以構(gòu)成16個(gè)按鍵功能,相比于直接將按鍵與端口連接多了一倍。矩陣式鍵盤(pán)比直接鍵盤(pán)的連接要復(fù)雜一些，因此識(shí)別也相對(duì)復(fù)雜一些。根據(jù)單片機(jī)的輸出特性可知，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸入端都是高電平，水平線輸出是低電平。因此，可以通過(guò)輸入線上電壓的狀態(tài)來(lái)判斷是否有按鍵被按下。計(jì)算功能：在正確輸入了單價(jià)之后，按下計(jì)算按鍵，將會(huì)計(jì)算出金額，并在液晶顯示器上顯示出重量、單價(jià)、總價(jià)。具體電路圖如圖311： 按鍵電路連接圖 報(bào)警模塊 報(bào)警模塊介紹報(bào)警模塊主要由蜂鳴器構(gòu)成，當(dāng)物品的重量超出電子秤的量程是蜂鳴器將發(fā)出警報(bào)聲，以防止器件受到損壞。但是單片機(jī)輸出高電平時(shí)的電壓相當(dāng)于Vcc，蜂鳴器的額定電壓小于5V，為了保護(hù)電路可以加入電阻，蜂鳴器的內(nèi)阻為幾百歐姆，所以本設(shè)計(jì)中選用R=1000歐姆。利用三極管飽和、截止時(shí)的特性來(lái)當(dāng)做開(kāi)關(guān)使用。因此，可以得到電路圖312：圖312 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 總結(jié)硬件電路部分涉及到電路設(shè)計(jì)的方方面面，不僅要考慮每個(gè)模塊內(nèi)部的電路如何搭建，器件如何選擇，還要考慮到各模塊之間的連接關(guān)系，選擇最優(yōu)的布線方式。19南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言來(lái)編程，在可讀性、功能都上有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以比較容易上手，且編譯易實(shí)現(xiàn)。Keil C51 軟件擁有功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具以及豐富的庫(kù)函數(shù)。Keil C51 工作的整個(gè)流程編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等。編寫(xiě)程序時(shí)主要從三個(gè)方面入手：一是將系統(tǒng)初始化；二是按鍵檢測(cè)；三是采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主程序、LCD1602顯示電路程序、信號(hào)處理模塊程序。為了更好的顯示，其中還應(yīng)該延時(shí)程序。一輪結(jié)束以后，在此按下置零鍵，進(jìn)行第二次測(cè)量，重復(fù)上述的操作。因此，可得流程圖42：開(kāi)始顯示初始化界面檢測(cè)重物有無(wú)按鍵顯示總價(jià)信息顯示按鍵功能結(jié)束NoYesNoYes圖42 顯示程序流程圖如圖42，當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行后，LCD1602首先顯示初始化界面，然后判斷有無(wú)按鍵輸入單價(jià)，若無(wú)輸入則繼續(xù)顯示初始化界面，若有輸入則顯示按鍵輸入的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出總價(jià)，并顯示出總價(jià)為多少。因此，可得流程圖43：開(kāi)始模/數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)放大啟動(dòng)信號(hào)處理置零鍵按下初始化圖43 信號(hào)處理流程圖如圖43，當(dāng)程序開(kāi)始工作時(shí)，首先對(duì)HX711的端口進(jìn)行初始化，然后當(dāng)有物體放在稱重盤(pán)上，而且置零鍵按下后，HX711則開(kāi)始工作，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行128倍增益的放大，然后再對(duì)放大后的模擬信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 總結(jié)軟件設(shè)計(jì)部分一定要靈活運(yùn)用好模塊化的編程思想，本設(shè)計(jì)中把一個(gè)大的程序拆分主程序部分、顯示程序部分、信號(hào)處理程序部分，并把這三部分程序進(jìn)一步拆分為各個(gè)小功能部分。23南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第五章 系統(tǒng)仿真及硬件調(diào)試本仿真設(shè)計(jì)中，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊，獲取信號(hào)。所得的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，如果重量不在量程內(nèi)，則啟動(dòng)報(bào)警電路開(kāi)始報(bào)警，否則開(kāi)始數(shù)據(jù)處理。接著再按下按鍵模塊，輸入單價(jià)。具體的仿真電路圖如圖51：圖51 系統(tǒng)整體仿真圖 系統(tǒng)仿真結(jié)果仿真過(guò)程中，由于protues元件庫(kù)中沒(méi)有壓力傳感器，信號(hào)采集模塊是使用的滑動(dòng)變阻器來(lái)代替的。實(shí)際仿真中，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的大小，來(lái)改變輸入電壓的大小。 圖52 仿真一 ，相當(dāng)于物體重量50g，輸入價(jià)格為20，再按下“=”，則可顯示出總價(jià)。多次改變滑動(dòng)變阻器的電阻值，并測(cè)得仿真結(jié)果如下表51：表51 系統(tǒng)仿真結(jié)果輸入、輸出及誤差對(duì)照表數(shù)據(jù)序列輸入電壓值仿真輸出值輸出誤差相對(duì)誤差一16%二%三%四%五% 系統(tǒng)仿真誤差分析本設(shè)計(jì)中的仿真結(jié)果如上所示，當(dāng)測(cè)量輸入較大時(shí)，輸出數(shù)據(jù)誤差在理想范圍內(nèi)，但是當(dāng)測(cè)量的輸入數(shù)據(jù)較小時(shí)，輸出的誤差就偏大，脫離了理想的誤差范圍。 系統(tǒng)整體調(diào)試 系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試結(jié)果圖實(shí)物調(diào)試過(guò)程中，先接通電源，顯示器顯示開(kāi)始界面“Wele to use!”，然后顯示初始化界面“+WEI |PRI | MON”，“| . | . ”。處理好的數(shù)據(jù)就在顯示器上顯示出來(lái)。 圖54 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)界面 圖55 系統(tǒng)初始化圖實(shí)物測(cè)量使用的是怡寶555ml純凈水來(lái)做參照物的，瓶身重量為16克左右，理論重量為571g，實(shí)際測(cè)得重量為573g，在誤差范圍之內(nèi)。產(chǎn)生這樣的誤差的原因分析如下：1) 實(shí)物上使用的托盤(pán)，使測(cè)量不穩(wěn)定，對(duì)測(cè)量有一定的影響；2) 單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理時(shí)，沒(méi)有達(dá)到指定的精度，還需不斷的調(diào)試；3) 實(shí)物中導(dǎo)線使用過(guò)多，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾；4) 校準(zhǔn)調(diào)試時(shí),選取的參照物存在重量不準(zhǔn)確。儀器所