【正文】 感器不能用于靜態(tài)測量。 電阻應變式傳感器具有悠久的歷史。它具有結構簡單，精度高，易于實現(xiàn)小型化等特點， 因此是目前應用最廣泛的傳感器之一。 電阻應變片把機械應變信號轉換為 △ R/R 后，因為壓力傳感器在工作時應變片的形變量很小，導致電阻變化很微弱，測量得到的結果未必準確，并且由于結果數(shù)值很小，導致我們處理起來將會十分困難。此處通常選用測量電橋作為轉換電路。 R R R3 和 R4 組成惠更斯電橋，將兩對電阻應變片的阻值變化轉變成輸出電壓，其工作原理如圖 所示。傳感器內(nèi)部線路采xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 10 頁 共 61 頁 用惠更斯電橋，當彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，轉換元件電阻應變片也會受到拉伸或變形，它的阻值將發(fā)生變化，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理。 圖 電阻應變式傳感器測量結構圖 當外界施加一個垂直正壓力 P 作用于金屬橫梁上時，橫梁產(chǎn)生形變，電阻應變片R R3 受壓彎拉伸，阻值增加； R R4 受壓縮，阻值減小。 （ 3） 電阻應變片的基本結構 電阻應變式壓力傳感器是將所測物體壓力的變化轉換成電阻值的變化來進行測量的。通常是將應變片通過特殊的方式使其緊密的粘合在應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時， 電阻 應變片也跟著產(chǎn)生形變，應變片的阻值也改變，從而使加在 電阻 上的電壓發(fā)生變化 [7]。基本結構如圖 所示，電阻絲是應變片敏感元件；基片、覆蓋片起定位和保護電阻絲的作用，并使電阻絲和被測試件之間絕緣，引出線用以連接測量導線。對放大環(huán)節(jié)的要求是增益可調(diào)的（ 70～ 150 倍），根據(jù)本設計的實際情況增益設為 100 倍即可。這么小的電阻變化既難以直接準確地測量，又不便直接處理。 我們采用結合 HX711芯片的放大電路，圖 如下 所示 ： 圖 HX711 芯片 放大電路 A/D 模數(shù)轉換 模擬量輸入通道的任務是將模擬量轉換成數(shù)字量。本次設計中 A/D 轉換器的任務是將放大器輸出的模擬信號轉換位數(shù)字量進行輸出。 目前，世界上有多種類型的 A/D 轉換芯片 ，有傳統(tǒng)的并行、串行、逐次逼近型、積分型 ADC，也有近年來新發(fā)展起來的 ∑Δ 型和流水線型 ADC，多種類型的 ADC 各有其優(yōu)缺點并能滿足不同的應用要求。在同樣的轉換分辨率和轉換速度的下，不同的接口方式會對電路結構及采用周期產(chǎn)生影響。 根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及 綜合的分析比較 ，本設計采用了 24 位 A/D轉換器 HX711，芯片封裝如下圖 所示。降低了系統(tǒng)的整 機成本，提高了整機的性能和可靠性。該芯片與單片機的接口電路設計和程序編寫非常簡單，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。通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應的滿額度差分輸入信號電壓值分別為 177。40mV。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 轉換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源 [8]。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。它的結構示意圖如圖 所示。當數(shù)據(jù)輸出管腳 DOUT 為高電平時，表明 A/D 轉換器還未準備好輸出數(shù)據(jù)，此時串口時鐘輸入信號 PD_SCK 應為低電平。其中第一個時鐘脈沖的上升沿將讀出輸出24 位數(shù)據(jù)的最高位（ MSB），直至第 24 個時鐘脈沖完成， 24 位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。 當A/D 轉換器的輸入通道或增益改變時， A/D 轉換器需要 4 個數(shù)據(jù)輸出周期才能穩(wěn)定。 （ 4） HX711 的數(shù)據(jù)輸出，輸入通道和增益選擇時序圖如下圖 所示。管腳 PD_SCK 用來控制 HX711 的斷電。斷電控制圖如下圖 。 DOUT 在 4 個數(shù)據(jù)輸出周期后才會從高電平變低電平，輸出有效數(shù)據(jù)。本節(jié)設計了較為合理的鍵盤和顯示電路完成這些功能。 LCD_CS、 LCD_RES、LCD_RS、 LCD_SDA、 LCD_SCK 為液晶模塊與單片機接口的控制線。 圖 12864 液晶 該 LCD 液晶為晶聯(lián)訊公司的生產(chǎn)的 128*64 漢字屏 JLX12864G086PC 顯示模塊。 JLX12864G086可以顯示 128列 *64行點陣單 色圖片，或顯示 8個 /行 *4行 16*16點陣的漢字，或顯示 16 個 /行 *8 行 8*8 點陣的英文、數(shù)字、符號。晶聯(lián)訊電子所生產(chǎn) JLX12864G086 型液晶模塊由于使用方便、顯示清晰，廣泛應用于各種人機交流面板。 主要技術參數(shù)與顯示特性： ? 電源： VDD ～ +5V（內(nèi)置升壓電路，無需負壓）； ? 顯示內(nèi)容： 128 列 64 行； ? LCD 類型： STN； ? 多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。對于顯示英文操作，由于英文字母種類很少，只需要 8 位（一字節(jié)）即可。而剩下的低 128 位則留給英文字符使用，即英文的內(nèi)碼。A39。 “ 存儲 ” 鍵用來手動存儲有用的壓力值； “ 清空 ” 鍵用來清空存儲的歷史數(shù)據(jù)，則相應的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的值均為 0； “ 調(diào)零 ” 鍵用來將壓力傳感器調(diào)零，讓當前壓力值顯示為 ； “ 修改閾值 ” 鍵用來修改系統(tǒng)預設的閾值 ，可以任意在0~ 之內(nèi)設計閾值； “ 返回 ” 鍵可以使當前操作返回到上一級； “ 確認 ” 鍵用來將所中的功能確定，傳送給系統(tǒng)，執(zhí)行相應程序。行信號為輸入信號，低電平有效；列信號為輸出信號。該低電平信號可以定位至按下鍵的位置。如圖 所示： 圖 聲光報警電路圖 電源供電模塊 系統(tǒng)通過 USB 電源供電，電源電壓為 5V。借助按鍵開關操作可控制電源的通 斷，實現(xiàn)系統(tǒng)的良性運作。電源供電開關模塊如下圖 所示。軟件的主要部分由主程序、 A/D 轉換數(shù)據(jù)子程序、 LCD 顯示子程序、歷史查詢子程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子程序、中斷和延時子程序等組成。同時，在測試過程中，監(jiān)控壓力值大小，達到預警作用。 Keil μVision4 是德國 Keil Software公司出品的 51 系列 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用傳統(tǒng) C 語言的語法來開發(fā)， C 語言在可維護性、結構性以及可讀性有著明顯的優(yōu)勢，可以大大的提高工作效率和項目開發(fā)周期，Keil C51 為 8051 單片機的軟件開發(fā)提供了 C 語言環(huán)境，同時還有著匯編代碼高效和快速的特點。 C51 已被完全集成到 uVision4 的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：實時操作系統(tǒng)，編譯器以及調(diào)試器等等。 Keil μVision4 IDE 開發(fā)界面圖如圖 所示。 C51 工具包可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試等整個流程。 編寫單片機程序有三種常見的方式， C 語言編程、匯編語言編程及混合編程。當然，對于匯編語言在某些方面仍然有著不小的優(yōu)勢，最為突出xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 21 頁 共 61 頁 的一點就是效率優(yōu)化的可操作性。而直接使用匯編語言編寫程序，在匯編級別上，具體執(zhí)行哪條匯編指令，具體使用哪個寄存器完全是透明的，所以在性能要求特別高的場合下，如果有豐富的匯編經(jīng)驗，一般都是使用匯編語言編寫 單片機程序。通常單片機很合編程技術是，程序的框架或主體部分用 C 語言編寫，對于那些使用頻率高、要求執(zhí)行效率高、延時精確的部分用匯編語言編寫 [9]，這樣既保證了整個程序的可讀性，又保證了單片機應用系統(tǒng)的性能。 通過對編譯選項的設置， Keil 軟件可以在編譯鏈接后自動生成 HEX16 進制文件，方便單片機程序的直接燒寫。對于本系統(tǒng)而言，引腳數(shù)量還是夠用的 [10]。 ? P34~P37 和 P13 是用于 4*3 矩陣鍵盤按鍵。 ? P14， P15 用于接 A/D 轉換芯片 HX711 數(shù)據(jù)采集端口，是串行工作方式，所以節(jié)省了很多的 IO 口的使用。 程序中所有端口定義及功能如下： sbit A/DDO = P1^5。 //斷電控制（高電平有效）和串口時鐘輸入端口 sbit lcd_sclk=P2^3。 //LCD 的 sid 接口 sbit lcd_rs=P2^5。 //LCD 的 cs1 接口 sbit Rom_IN=P1^7。 //字庫 IC 的 SO 接口 sbit Rom_SCK=P2^0。 /字庫 IC 的 CS 接口 xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 22 頁 共 61 頁 sbit LedA = P2^2。 //報警電 路蜂鳴器接口 sbit alert = P1^1。 //矩陣鍵盤第一行接口 sbit ROW2=P3^2。 //矩陣鍵盤第三行接口 sbit COL1=P3^4。 //矩陣鍵盤第二列接口 sbit COL3=P3^6。 //矩陣鍵盤第四列接口 軟件主程序構架 本系統(tǒng)的設計主要由五大模塊構成，軟件程序主要是實現(xiàn)對這些功能模塊的控制，以及最終對數(shù)據(jù)進行分析計算得出性能測量結果。參數(shù)初始化時對一些全局系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，保證程序執(zhí)行的可靠性； IO 初始化是將所有 IO 的電平和功能設置為關閉狀態(tài)，防止發(fā)生誤操作；器件初始化是對外圍的 A/D 芯片、模擬開關、LCD 進行初始化，保證器件 能夠正常運行。程序流程圖如圖 所示。此時，整個系統(tǒng)可以開始進行數(shù)據(jù)采集工作，但參數(shù)均處于默認狀態(tài)，如果需要調(diào)整，則可以實時通過鍵盤控制，系統(tǒng)根據(jù)讀取的鍵盤鍵值執(zhí)行相應的操作，分別是執(zhí)行修改閾值參數(shù)、讀取 A/D 采樣值、壓力測量、手動存儲、超重預警、發(fā)出報警信號、查閱歷史，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等。 主要功能子程序的設計 先進行系統(tǒng)的初始化，初始化模塊主要對單片機的堆棧指針，中斷寄存器，全局變量定義，賦初值和定時器的初始化。然后進行模xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 24 頁 共 61 頁 數(shù)轉換，判斷是否超過設定閾值，轉換壓力字符通過液晶顯示。 A/D 子程序設計 通過壓力傳感器輸出后的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號放大器的處理后，由 A/D 轉換芯片轉換為數(shù)字信號。在軟件方面，單片機通過發(fā)送時序命令的方式對 A/D 芯片進行控制，由于選型的 A/D 芯片不需要啟動命令，即可自動轉換。然后再發(fā)送一個時鐘讀取采樣值，并將數(shù)據(jù)保存到存儲器的設定空間，再將存儲空間的指針移位。 A/D 采集部分流程圖如圖 所示： 開 始片 選 輸 出 為 低時 鐘 輸 出 置 高延 時 等 待時 鐘 輸 出 置 低讀 取 數(shù) 據(jù)保 存 到 存 儲 器 ， 數(shù)據(jù) 指 針 移 位片 選 輸 出 為 高結 束 圖 A/D 轉換流程圖 xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 25 頁 共 61 頁 中斷子程序設計 系統(tǒng)的稱重間隔為 ，每 置標志位，累加器計數(shù)滿 400 次則延時時間為 ，置稱重標志位。 時 鐘 中 斷 入 口≥ 4 0 0C o u n t e r 累 加置 稱 重 位返 回YN 圖 中斷流程圖 查詢歷史數(shù)據(jù)子程序設計 預先手動存儲八個以內(nèi)的壓力值（超過閾值亦可），當存儲第九個數(shù)據(jù)時，存儲的歷史數(shù)據(jù)會自動將第一位存儲的數(shù)據(jù)擠掉，后面存儲的數(shù)據(jù)均依次向前移一位。調(diào)用該子程序，判斷是否為 0，若不是顯示 “無歷史 ”；若是則讀取顯示存儲的壓力值，并按順序依次為~8 顯示輸出。 xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 26 頁 共 61 頁 開 始判 斷 是 否 有 為 0顯 示 “ 無 歷 史 ” 讀 取 顯 示結 束NY 圖 查詢歷史數(shù)據(jù)流程圖 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子程序設計 預先手動存儲八個以內(nèi)的壓力值（超過閾值亦可），當存儲第九個數(shù)據(jù)時，存儲的歷史數(shù)據(jù)會自動將第一位存儲的數(shù)據(jù)擠掉，后面存儲的數(shù)據(jù)均依次向前移一位。如下圖 所示。如下圖 所示。人機交互是設計人性化、便捷操作的必要操作，除了硬件上的設計基礎，還必須要軟件的靈活控制，由于顯示時序均以時序建模的方式實現(xiàn)了控制驅(qū)動，大大簡化了 軟件設計，軟件僅需要按要求給出擬顯示的圖像和位置即可。開始先對液晶顯示初始化，功能主要是對液晶的背光時間，背光等級，字符顯示格式，漢字顯示格式，和界面的初始化等。 xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 29 頁 共 61 頁 初始化完畢否液晶顯示接口液晶初始化設置顯示系統(tǒng)各項參數(shù)YN用戶是否設定系統(tǒng)參數(shù)用戶設定系統(tǒng)參數(shù) 圖 液晶顯示初始化控制流程圖 （ 2）鍵盤驅(qū) 動程序設計 鍵盤處理程序為單片機控制口讀取按鍵狀態(tài)，消抖后得到按鍵狀態(tài)，根據(jù)按鍵狀態(tài)得到用戶輸入的鍵值進行相應的參數(shù)設定，也可以通過按鍵重設系統(tǒng)閾值。 xx 本科生畢業(yè)設計（論 文） 第 30 頁 共 61 頁 開 始列 掃 描行 掃 描判 斷 是 否 有 鍵 按 下取 相 應 鍵 碼結 束NY 圖 按鍵驅(qū)動流程圖 矩陣鍵盤的處理方法比較簡單，單片機上電后引腳默認電平為高點平。然后去處理后續(xù)程序代碼。 unsigned char i。 //如果列輸出不全為高，則說明有鍵按下 if ((COL1!=1)||(COL2!=1)||(COL3!=1)||(COL4!=1)) { //輸入 011 RO