基于單片機的高精度稱重系統(tǒng)的研制

0 引言

隨著科學技術(shù)的進步，單片機及相關(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，它具有以下標準功能：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。鍵盤用于輸入預置信息，揚聲器用于發(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)強度高；用于拉伸力或壓縮力測量，抗偏、抗側(cè)向力強；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械地分布在一塊有機材料制成的基底上，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?/p>

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、系統(tǒng)校準和背景校準功能，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

將單片機采集的重量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，利用單片機的RXD，TXD接口連接到RS232串行口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，但是單片機的TTL電平和RS232不兼容，因此使用了MAX232進行電平轉(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。預先將0～9、點、十、百、千克、克的語音存入ISD1400，單片機將實際測量的重量值通過該語音芯片經(jīng)由揚聲器發(fā)出。

2 軟件設(shè)計

2．1 單片機軟件編程

對于51系列單片機，目前常用的語言有匯編和單片機C語言。本系統(tǒng)下位機軟件采用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內(nèi)部。

串口發(fā)送和接收子程序功能。完成下位機和上位機的通信。單片機讀取的溫度和濕度值通過發(fā)送子程序發(fā)送給上位機并等待命令，收到命令后再繼續(xù)進行測量。接收子程序通過接收上位機傳輸?shù)拿钸M行系統(tǒng)自檢、參數(shù)修正等。上位機的命令發(fā)送采用間隔10ms反復發(fā)送的方式，直到單片機將接收到的命令返回為止。如在 1s內(nèi)單片機沒有響應(yīng)，則設(shè)置超時，系統(tǒng)復位單片機。