1、基于单片机的智能微型称重装置设计摘 要压力是工业生产过程中经常要涉及到的一个重要参数，对压力的研究在生产中和设备安全运作中十分重要，实现最基本的智能化检测对生产具有极重要的意义。本文主要设计的是基于单片机原理的智能微型称重装置，替代了传统的杠杆原理的杆秤，运用现代化科技与技术对压力进行测量，采用专业的压力传感器来进行检测，只要压力发生变化，传感器就会感应到压力的变化，从而进行信号的转变，再经由HX711模数转换器和集成运算放大电路对信号进行处理，再经由控制中心STC89C51单片机进行系统处理，由LED数码管显示压力系数，从而达到对重物进行测量的目的。最终将软件下载到硬件上进行调试安装显示出数
2、据。关键词：传感器；HX711；STC89C51；LED数码管AbstractPressure is one of the most important parameters in industrial production. It is very important to study the pressure in the safe operation of production and equipment.In this paper the design of intelligent micro weighing device for single chip microcomputer b
3、ased on the principle of replacing the traditional steelyard lever principle, the pressure measurement of the use of modern science and technology, mainly by pressure sensor quality information is measured, the sensor receives the fine micro pressure changes into electrical signal, and then through
4、the HX711A/D converter and the integrated operational amplifier circuit for signal processing, and then through the STC89C51 SCM system belongs to the control center, through the LED digital display pressure coefficient, so as to achieve the purpose of weight measurement. Finally, the software is do
5、wnloaded to the hardware to be debugged and installed.Keywords: sensors, HX711, STC89C51, LED digital tube目 录TOC o 1-3 h z u 摘 要I第一章 绪论11.1 称重装置的发展及历史11.2 电子秤的实用性11.3 电子秤的发展1第二章 主体设计2第三章 压力检测系统的硬件设计33.1 数据采集及称重装置33.2 称重传感器的转换方式33.3 金属应变片的要求43.4 电桥平衡43.5 非线性误差及温度补偿63.6 信号放大电路7第四章 硬件分析84.1 HX711系统84.2
6、 单片机94.2.1 STC89C52单片机简介94.2.2 主要特性114.3 系统显示器选择114.3.1 方案一 数码管显示114.3.2 方案二 LCD字符液晶显示124.4 实物焊接13第五章 总结13参考文献15附录A16附录B程序16致谢26第一章 绪论1.1 称重装置的发展及历史称重作为一种计量方式，已经有几千年的历史，称重器具作为人们日常生产生活的一件必不可少的生活必需品，主要应用于工业生产、交通运输、科学研究研发、生产生活等领域。称重装置作为衡量仪器，同样的也在工业和商业中运用十分重要。它最大的优点就是工作效率得到大大的提升。能够控制材料损耗的程度，而且产品质量也会得到提升
7、。称重装置与生活密不可分，对于生活作用巨大。自秦始皇统一度量衡开始，使得度量器具有了一个一个标准，传统的称量基本采用的是简单的杠杆原理。但是当今世界科技飞速发展，传统的称重设备以及不足以满足人们日常生活需要，上个世纪五十年代，制造业由于电子技术的发展得到了较快的发展。在过去的几年里，出现了机械和电气设备的组合，在过去的50年里得到了发展和完善，电子器具从最初的简单机械到现如今的数字化，电子化的转变，电子秤的发明，很大程度改变了人们的工作方式与生活需求，满足了国内与国际市场的需要。传统的称重器具结构相对简单，但是有的地方一些不法商贩总会错改器具，使得缺乏一个正确合理的度量标准，给人们日常生产生活
8、交易带来一个不公平的体验，欺骗消费者和买卖双方。1.2 电子秤的实用性为了适合现如今社会发展和人们日常生产要求，电子秤根据人们需求在不同的使用场合也有相对应的型号和规模。人们在日常生活中只需要量程相对较小的，而在工业生产劳作中就需要量程比较大的，而他的规模也比较庞大。但是不论其规模大小程度，其操作简便，使得用户在使用过程中不需耗费很大的工作强度，工作简单，只需要键盘的显示器实现人与机器之间的操控的显示就可以完成对一个物体的测量。这些全归功于自动化和科技的发展。1.3 电子秤的发展电子秤已经有原来的笨重逐渐向小型化、模块化、智能化转换极大地简化了称重装置的主体结构，降低了产品设计成本，并且提高了
9、系统的稳定性和实用的可靠性能，并且在发展过程中不断向其他科学领域渗透，通过各种技术去接触称重计量，自动控制和产品信息的获得。并不断的实现智能化，解放人的大脑和双手使得生产生活更加简便快捷，以来满足现如今的快节奏生活生产需要。第二章 主体设计根据设计要求，本设计主要基于单片机控制，实现称重装置的基本控制功能，其它传感器，A/D转换器，键盘输入输出和显示元件等无明确要求，但是最终设计需要符合测量精度高，体积小巧，方便计算计价的要求。整个系统由4个部分组成的,如下所示：压力采集模块、AD转换模块、单片机控制模块、显示模块。如图1所示。数据采集也就是采集压力信号，指使用称重传感器获得所称设备信息的重量
10、，并将压力的变化转化为电信号的变化，因为这个变化有可能非常的微弱，所以，先利用HX711数模转换将模拟量转化为数字量，在进行128倍放大，然后送入微控制器，单片机进行计算与转换，并将结果显示出来。图2-1 系统结构框图第三章 压力检测系统的硬件设计3.1 数据采集及称重装置传感器的本质其实就是进行信号转换，是力信号转电信号，其中最主要的元件有2个部分，一是敏感元件，二是转换元件，其中敏感元件是通过感受力的变化，从而使得应变片发生形变，然后将其转换成电阻组织转型，然后由转换电路按照相应比例的电阻转换为相应电流或电压的电信号，完成信号之间的转换。3.2 称重传感器的转换方式电子秤采用电阻应变式称重
11、传感器作为物体质量信号-电信号的转换器。在市场上，已经广泛的在使用电阻应变传感器的，而且其技术也是发展最成熟的，使用电阻应变仪变形，导致电阻变化，电阻应变仪的工作原理附着在被测物体的表面，根据应变计的工作原理，导体受到外部变形，电阻值变化，在物理学中我们知道电阻计算公式为：R =L/ S，其中：L的含义就是物体长度，S的含义是物体的横截面积，比例系数称之为物体的电阻系数或是电阻率。由上式可知当电阻丝两端当存在机械应力F时，、L、S都会发生相应的改变从而电阻随之改变。当外力F慢慢的变大的时候，L，S，R，相反，当F慢慢的变小的时候，L，S，R。电阻应变片的构成主要有4个部分，分别如下：（1）敏感
12、栅（2）覆盖层（3）基层（4）引线在这个4个部分当中，敏感栅是最重要的。它是和绝缘基片进行粘一起，如图 3-1所示 。图 3-1电阻应变片的结构3.3 金属应变片的要求1.灵敏度系数大，且在相当大的范围内保持在一个恒定值。2.值大，在物体长度，横截面积相同时有较大的阻值3.电阻温度系数小，避免温度变化影响阻值。4.和铜线一起焊接的时候性能要好，跟其余金属接触时候，要保证其电势要小。5.机械强度高，具有良好的机械加工性能。3.4 电桥平衡电阻应变计是把机械应变信号变为R/ R。因为应变量非常的小，而且其对应的电阻变化也很小，因此难以进行准确地测量。所以必须要采用用转换电路，因为转换电路能够将应变
13、仪R/ R变化的电压和电流。其转换电路通常为平衡差动图3-2为一直流供电的平衡电阻电桥，接直流电源E：如果把一个无穷大的电阻放在电桥输出端，这时候我们可以把输出端当做开路，这时候直流电桥不能够输出电流，只有电压输出，所以样的情况我们就把它称作为电压桥。= （3.1）当满足前提R1R3=R2R4时，即（3.2）=0，即电桥平衡。式（3.2）称平衡条件。使电桥平衡应在用应变片测量电桥在测量前，使得应变片感受的应变所引发的电阻改变来影响测量的电桥输出电压。若差动工作，即R1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（3.1），则电桥输出为(3.3)3.5 非线性误差及温度补偿应变计参数
14、之间的线性关系非常小，当RR1时，如果应变计压力过大，桥应变输出电压之间呈非线性关系，因此，我们一定要精确的测量系统的线性误差，从而系统的输出灵敏度得以提升。U U(a)半桥差动电路 （b） 全桥差动电路图3-3（a）为半桥差动电路，适用于传感器。当应变片粘贴之后，主要注意的是两个应变片要分别受压和受拉，绝不能有2个同时受压的情况发生，而且2个同时受拉的现象也不能存在，而且还要维持不一样的应变符号，在工作的时候，在电桥的相邻两臂分布贴上应变片。当电桥在最初的时间是平衡的，并且是相等的臂桥，半桥差分电路的输出电压时，考虑到R1=R1 ，R1=R2 ，R3=R4则有（3.4）通过上面的分析，我们可
15、以知道，半桥差分电路的优点就是使非线性误差得以去除，而且电桥的输出灵敏度也得到了一定的提升，除此之外，还有一个比较好的作用是能够温度补偿。如果按照2.4（b）为全桥差动电路所示，考虑到R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4全桥差动电路的输出电压为（3.5）我们可以发现，就电压灵敏度方面，全桥比单臂高4倍，线性误差也解除。此电路也得到广泛应用。电阻应变片的温度误差及补偿温度是能够影响测量时的误差大小的，这种误差我们在学术上较为应变片温度误差，应变片的温度误差受到许多因素的影响，如下所示：（1）电阻温度系数（2）试件材料（3）电阻丝材料（4）膨胀系数电桥补偿是最常用的、效果较好的线路补偿方法，如图3-4图3-4 电桥补偿电路3.6 信号放大电路仪表放大器是一种精准的差分电压放大器，它来自运算放大器，但优于运算放大器，具有高输入阻抗，低噪声，高共模抑制比，低失调漂移增益，低线性误差，灵活的设置和易用性特点，使其广泛应用于传感器信号放大，数据采集，精密电子设备，医疗设备等6。电子秤仪表放大器结构如图3-5所示，第一级由A1，A2，用于高阻抗相位输入和结构对称，使电路漂移和偏移偏移第二级由A3差分放大电路组成，还具有非常高的输入阻抗，共模抑制比，前者匹配。电阻R1 = R2，R3 = R4，R5 = R6
