基于單片機(jī)的不規(guī)則物體比重測試儀的設(shè)計(jì)

郭紅霞，張 菁，張俊霞

（榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林719000）

基于單片機(jī)的不規(guī)則物體比重測試儀的設(shè)計(jì)

郭紅霞，張 菁，張俊霞

（榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林719000）

由于傳統(tǒng)的比重測試儀大多是通過電子稱來進(jìn)行測量的，其測量次數(shù)多，步驟繁瑣而且不準(zhǔn)確。文中采用了一種基于單片機(jī)的比重測試儀的設(shè)計(jì)方法，其硬件電路由單片機(jī)作為核心控制部件，外圍電路是由壓力傳感器HX711，顯示電路，鍵盤電路和報(bào)警電路等組成，利用軟件算法實(shí)現(xiàn)了不規(guī)則物體雙通道同時(shí)稱重。通過記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析，得出稱重誤差最大不會超過1%的結(jié)論，其結(jié)果表明該物體比重測試儀可以實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)精確且一步即可完成測量，大大減少操作次數(shù)，可以推廣使用。

電子秤；比重測量儀；單片機(jī)；HX711

稱重技術(shù)自從古代就被人們所看重，作為一種計(jì)量技術(shù)，普遍被用于工農(nóng)業(yè)、科研教學(xué)、交通等多個(gè)領(lǐng)域，與百姓的生活息息相關(guān)。不規(guī)則物體比重測試儀是衡器儀器中的一種，是稱重技術(shù)中的一種新型儀表，廣泛應(yīng)用于各種場合。傳統(tǒng)的比重測試儀大多是基于電子稱來進(jìn)行測量的，測量次數(shù)多，步驟繁瑣而且不準(zhǔn)確，文中設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的不規(guī)則物體比重測試儀，該比重測試儀用單片機(jī)控制，可以有效實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的測量且一步即可完成測量，大大減少操作次數(shù)，并且成本低廉，可實(shí)用性較好。

1　設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體方案以模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用HTC89C52單片機(jī)作為整個(gè)測量儀裝置的主控芯片。對被測物進(jìn)行信號采集時(shí)應(yīng)用測量精度較高的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，使得測量精度得到了有效保障；在數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選取了HX711芯片作為稱重裝置的A/D轉(zhuǎn)換器件，該芯片內(nèi)置穩(wěn)壓電源可以為傳感器提供電源并且有高增益、高精度的優(yōu)點(diǎn)；在顯示單元中使用了帶有12引腳的LCD12864顯示器，實(shí)現(xiàn)了用中文顯示的功能，并且能夠同時(shí)顯示被測物雙通道物體的重量、比重等內(nèi)容。該測量儀可以實(shí)現(xiàn)稱重范圍分別為0～5 kg和0～10 kg，測量精度為5 g的稱重功能。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體方案框圖

2　硬件電路

2.1數(shù)據(jù)輸入通道設(shè)計(jì)

信息的采集與轉(zhuǎn)換，是本設(shè)計(jì)中的重要組成部分，系統(tǒng)將壓力傳感器采集到的信息經(jīng)過放大、濾波和穩(wěn)壓等操作后，通過HX711A/D轉(zhuǎn)換芯片將采集到的有效數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺詈笸ㄟ^DOUT與PD-SCK兩個(gè)引腳和單片機(jī)連接，硬件連接簡單，大大減少程序的編寫。具體電路如圖2所示。

圖2　采集轉(zhuǎn)換電路

2.2I/O接口電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中I/O接口電路分按鍵電路和顯示電路。按鍵控制是人機(jī)互通中不可缺少的部分，它是系統(tǒng)接受用戶操作的直接路徑。由于本設(shè)計(jì)中涉及到的按鍵數(shù)量比較少，只有2個(gè)按鍵，所以采取了獨(dú)立按鍵模式，當(dāng)按鍵引腳出現(xiàn)低電平時(shí)，就會檢測按鍵的功能，執(zhí)行相應(yīng)的程序。按鍵主要實(shí)現(xiàn)去皮功能，即測試儀是開機(jī)檢測水杯重量，并將水杯重量清零。具體電路如圖3所示。顯示電路采取的是LCD1602，顯示中每個(gè)字符由5*7個(gè)小點(diǎn)組成，每一行可以顯示十六個(gè)英文字符，一共可以顯示兩行，顯示電路如圖4所示。

圖3　按鍵電路

圖4　顯示電路圖

2.3報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用蜂鳴器作為超量程報(bào)警器，從而實(shí)現(xiàn)閾值報(bào)警功能。其報(bào)警電路如圖5所示，把蜂鳴器的正極接VCC，負(fù)極接三極管8550的集電極，8550的基極串聯(lián)一個(gè)1 kΩ的電阻再接到單片機(jī)的P2.0端口，當(dāng)P2.0為高電平時(shí)，8550無法導(dǎo)通，蜂鳴器不叫，當(dāng)P2.0為低電平時(shí)，8550導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。

圖5　報(bào)警電路圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)，主要完成的內(nèi)容有系統(tǒng)初始化，檢測通道重物，A/D轉(zhuǎn)換，中斷服務(wù)子程序，LCD顯示比重，按鍵子程序等。主程序主要采用中斷方式進(jìn)行，當(dāng)按鍵出現(xiàn)低電平時(shí)，執(zhí)行去皮按鍵子程序，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換信號時(shí)，開始執(zhí)行中斷子程序，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和顯示。其主程序設(shè)計(jì)框圖如圖6所示，中斷服務(wù)程序如圖7所示。

單片機(jī)中斷服務(wù)子程序的具體執(zhí)行程序如下：

圖6　主程序流程圖

圖7　中斷服務(wù)子程序

4　測試與誤差分析

文中搭建了該不規(guī)則物體測量儀的硬件電路系統(tǒng)，其硬件實(shí)物測試圖如圖8所示。

圖8　硬件實(shí)物測試圖

測量儀可以實(shí)現(xiàn)稱重范圍分別為0～5 kg和0～10 kg，應(yīng)用該測量儀時(shí)，首先給電路板上電復(fù)位后，兩個(gè)稱重器上沒有任何砝碼，其顯示電路顯示結(jié)果完全正常。在合理的量程范圍內(nèi)，A通道選擇2 000 g的砝碼，B通道選擇5 000 g的砝碼，通過多次A通道和B通道的值進(jìn)行顯示測量，得出下表1所示數(shù)據(jù)。通過測試，在其稱重范圍內(nèi)通過加上不同的砝碼，該測量儀可以有效地實(shí)現(xiàn)對對物體準(zhǔn)確稱重功能。

由以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，本設(shè)計(jì)存在一定的誤差。通過計(jì)算結(jié)果為:

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

A通道的平均值為:

則A通道的平均相對誤差為:

同理:計(jì)算出B通道的平均相對誤差為:

也就是說，在比重的顯示中，出現(xiàn)的誤差最大不會超過1%。而本設(shè)計(jì)所采用的傳感器量程為10 kg，1%的誤差也就是稱1 kg的物體時(shí)，只會出現(xiàn)10 g的誤差，從數(shù)據(jù)分析來看，此方案完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)　論

不規(guī)則物體比重測試儀因可靠的性能、準(zhǔn)確的測量、先進(jìn)的技術(shù)和簡單的結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，所以受到大眾的喜愛，在現(xiàn)代社會中用途越來越廣泛，給百姓的生活帶來了諸多方便。本設(shè)計(jì)采用HTC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的不規(guī)則物體比重測試儀，無論是從高精度，還是穩(wěn)定性都滿足設(shè)計(jì)的要求，它還有操作簡單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。此不規(guī)則物體比重測試儀是將信號采集與轉(zhuǎn)換技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理和顯示的現(xiàn)代集成儀器，具有很好的實(shí)用性。

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The design of proportion of irregular objects tester based on m icrocomputer

GUO Hong-xia，ZHANG Jing，ZHANG Jun-xia
（School of Energy Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China）

As traditional gravity tester mostly be measured by electronic scale，which measures the number of multi-step tedious and inaccurate.In this paper，the design method of specific gravity tester based on micro-controller，the hardware circuit controlled by themicro-controller as a coremember，the peripheral circuit is composed of a pressure sensor HX711，display circuit，keyboard circuit and alarm circuit and other components，do not use software algorithms to achieve a dual regular objects simultaneously weighed.By recording and analyze experimental data，we can get the weighing conclusion that maximum error doesnotexceed 1%，the results show that the objectproportion tester can achieve accuratemeasurementdata and themeasurementstep can be completed，greatly reducing the numberofoperations，so thatwe can promote itsuse.

electronic scale；weight tester；single-chipmicrocomputer；HX711

TN02

A

1674-6236（2016）19-0095-03

2016-03-04稿件編號：201603046

國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（51406176）；榆林市科技局市級項(xiàng)目（2015CXY-22-03；Gy13-06）

郭紅霞（1983—），女，陜西府谷人，碩士研究生，講師。研究方向：電子電路設(shè)計(jì)，自動控制，單片機(jī)方向。