基于單片機(jī)的高精度稱重系統(tǒng)的研制

0 引言
    隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)及相關(guān)電子技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。利用單片機(jī)和傳感器實現(xiàn)對重量的高精度測量，提高了生產(chǎn)的自動化程度，成本低廉，應(yīng)用十分廣泛。

1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、稱重傳感器、A／D轉(zhuǎn)換、通信接口和語音提示模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

1．1 單片機(jī)系統(tǒng)
    系統(tǒng)采用AT89S52作為控制核心，配備鍵盤、液晶顯示電路和揚(yáng)聲器。
    AT89S52是Atmel公司新推出的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，它具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I／O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器／計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。其性能完全可以滿足系統(tǒng)的要求。
    液晶顯示采用OCMJ4X8A液晶顯示屏，它內(nèi)帶漢字字庫，可以方便地顯示漢字及圖形；可以同時顯示4行8列個單元，可以一次顯示系統(tǒng)所有狀態(tài)信息；顯示的內(nèi)容不需要刷新，節(jié)省了單片機(jī)的資源；電路結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，功耗低。鍵盤用于輸入預(yù)置信息，揚(yáng)聲器用于發(fā)出語音提示和超重報警。
1．2 稱重傳感器
    系統(tǒng)采用懸臂梁式稱重傳感器。該傳感器量程30kg；彈性體為彎曲懸臂梁結(jié)構(gòu)，外形高度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高；用于拉伸力或壓縮力測量，抗偏、抗側(cè)向力強(qiáng)；防塵密封，精度高，性能穩(wěn)定可靠，安裝使用方便。傳感器外形如圖2所示，單位：mm。

    此傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器，它的主要組成部分有電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路。工作原理：彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓，從而完成將外力變換為電信號的過程。其中，電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械地分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片；彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件，它的功能有兩個：首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場，使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想地完成應(yīng)變電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)；檢測電路采用全橋式等臂電橋把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥?br />1．3 高精度A／D轉(zhuǎn)換
    稱重傳感器的輸出為mV級的微弱信號，傳統(tǒng)的測量方法是在A／D轉(zhuǎn)換之前加一級高精度的放大器，電路復(fù)雜。AD7714是美國Analog Devices(AD)公司推出的24-位ADC家族AD771X系列中的新品，適用于低頻、高精度工業(yè)級轉(zhuǎn)換。該器件具有完整的模擬前端，可以直接測量傳感器輸出的直流微弱信號，轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位無誤碼。采用三線串行口與微控制器連接，通過軟件編程可以對增益、信號極性、輸入通道作出設(shè)置。該芯片具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能，可以消除零點誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響。
1．4 通信接口
    將單片機(jī)采集的重量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用單片機(jī)的RXD，TXD接口連接到RS232串行口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，但是單片機(jī)的TTL電平和RS232不兼容，因此使用了MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其連接線圖如圖3所示。

1．5 語音提示模塊
    語音提示由ISD1400芯片控制，它有20秒的錄放時間。預(yù)先將0～9、點、十、百、千克、克的語音存入ISD1400，單片機(jī)將實際測量的重量值通過該語音芯片經(jīng)由揚(yáng)聲器發(fā)出。

2 軟件設(shè)計
2．1 單片機(jī)軟件編程
    對于51系列單片機(jī)，目前常用的語言有匯編和單片機(jī)C語言。本系統(tǒng)下位機(jī)軟件采用Keil C51程序編寫。主要由主程序、讀取重量子程序、鍵盤掃描和液晶顯示子程序、語音提示子程序、串口發(fā)送和接收子程序等部分組成。流程圖如圖4所示。

    讀取重力量程序功能。啟動A／D轉(zhuǎn)換，將稱重傳感器測量的重量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并讀取到單片機(jī)內(nèi)部。
    串口發(fā)送和接收子程序功能。完成下位機(jī)和上位機(jī)的通信。單片機(jī)讀取的溫度和濕度值通過發(fā)送子程序發(fā)送給上位機(jī)并等待命令，收到命令后再繼續(xù)進(jìn)行測量。接收子程序通過接收上位機(jī)傳輸?shù)拿钸M(jìn)行系統(tǒng)自檢、參數(shù)修正等。上位機(jī)的命令發(fā)送采用間隔10ms反復(fù)發(fā)送的方式，直到單片機(jī)將接收到的命令返回為止。如在 1s內(nèi)單片機(jī)沒有響應(yīng)，則設(shè)置超時，系統(tǒng)復(fù)位單片機(jī)。
2．2 上位機(jī)軟件編程
    本系統(tǒng)采用MSComm控件實現(xiàn)VB與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，具有程序?qū)崿F(xiàn)簡便，程序模塊化，工作可靠等優(yōu)點，并能滿足多數(shù)情況下的工控要求。使用MSComm控件主要是通過事件來處理串行口的交互?？丶腛nComm事件負(fù)責(zé)捕獲或處理這些通訊事件和通訊錯誤。
2．2．1 MSCOMM屬性設(shè)置

    MSComml．CommPort=1 '設(shè)置端口1
    MSComml．Settings="2400，N,8，1" '2400 b／s，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位
    MSComml．InputLen=1 '一次從緩沖區(qū)中接收一個字節(jié)
    MSComml．InBufferSize=1024 '接口收緩沖區(qū)大小
    MSComml．PortOpen=Ture '打開端口
    MSComml．Rthreshold=1 '接收一個字節(jié)觸發(fā)一次ONCOMM事件
2．2．2 ONCOMM事件響應(yīng)程序
    Private Sub MSComml_OnComm()
    Dim buffer As Variant '由緩沖區(qū)接收到的數(shù)據(jù)用Variant格式接收
    Dim arr()As Byte '定義二進(jìn)制數(shù)組
    Dim i As Integer
    Dim receivester As string '定義輸出到接收文本框中的字符變量
    '下段程序是comEvReceive事件觸發(fā)后，將數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)組，并在接收文本框中顯示
    Select Case MSComml．CommEvent CasecomEvReceive buffer=MSComml．Inpute
    arr=buffer接收緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)variant變量內(nèi)
    arr=buffer '轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)并送入相應(yīng)數(shù)組
    For i=1to8
    receivester arr(i)
    Text1．Text=Text1．Text＆receiverstr＆"．"
    '在接收框中顯示文本
    Next i
    End Select
    End Sub

3 結(jié)束語
    本重量測量系統(tǒng)，充分發(fā)揮了AT89S52單片機(jī)強(qiáng)大的控制能力和計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，通過稱重傳感器和24位分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了對重量的高精度測量。系統(tǒng)在電子秤的實際應(yīng)用中收到了滿意的效果。