基于ZigBee傳輸的高精度壓力控制器

楊 陽 ，浦 瀚 ，閆文娟

（1.南京機電職業技術學院 藍島創客空間，南京 211135；2.南京工業大學 電氣工程與控制科學學院，南京 211816；3.南京機電職業技術學院 電子工程系，南京211135）

隨著人們生活水平的不斷提高，商業行為也越來越現代化，人們對商品度量的速度和精度也提出了新的要求[1-3]。目前，壓力控制器是市面最常用的傳感器之一，并且都有一個共同之處——在現場通過壓力傳感器將數值顯示在當前屏幕上；在當前工業等精密控制領域中，重力控制器存在精密度低、異地查看數據困難的缺點。對此設計了一套基于ZigBee傳輸的高精度壓力控制器。文中介紹了該系統的設計思想、方法及實施過程，分析了各個模塊的選用、功能及實現方法，包括系統的硬件構成、傳感器的選擇、系統運作流程圖等。

1 數字電子秤總體設計

數字電子秤系統的控制核心單元使用STC89C52為CPU的控制模塊；傳感器使用精度高、穩定性好的HL-8型電阻全橋式傳感器；A/D轉換模塊使用高分辨率和高精度的HX711。該系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成Fig.1 System composition

2 系統硬件設計

2.1 壓電傳感器的選擇

應變片式電阻傳感器是以使用應變片為識別元件的傳感器。它具有以下優勢：精度高，測量范圍廣；頻率響應特性好；應變片種類繁多，價格便宜；系統接觸點的靈敏度高，集成度高，結構簡單[4-6]。

設計所采用的傳感器為全橋測量電路。在不受壓力時，電橋處于平衡狀態，輸出電壓為0 V；有壓力時，電橋的橋臂電阻值發生近似于線性的變化，電橋逐步失去平衡。全橋測量電路中，將受力性質相同的2片應變片接入電橋對邊。使其輸出靈敏度比半橋大約增大了1倍，與此同時，非線性誤差和溫度誤差也得到改善[7]。全橋測量電路的電路如圖2所示。

圖2 全橋測量電路Fig.2 Full bridge measuring circuit

2.2 A/D轉換芯片HX711接口電路的設計

根據系統的使用要求，必須使用達到10位的轉換精度的A/D轉換設備。設計時，考慮到STC89C52單片機I/O口資源緊張等因素，最終確定使用HX711。其量化精度能夠達到1/4096，<（1/1000），符合設計要求[8-10]。HX711模塊電路如圖3所示。

圖3 HX711模塊Fig.3 HX711 module chart

2.3 數碼管顯示電路的設計

該系統使用4段數碼管作為外圍典型器件。同時，為了增強單片機對位選信號的驅動能力，將P2端口（位選端）接在9012三極管（PNP型）的基極，9012三極管充當開關的角色，同時大大提高了數碼管顯示的亮度，便于觀察輸出的數據[11]。數碼管顯示電路如圖4所示。

圖4 數碼管顯示電路Fig.4 Digital tube display circuit

2.4 ZigBee無線傳輸電路的設計

該系統使用ZigBee技術，使當前采集到的重力值能在終端設備上顯示，極大地提高了數據的利用率，方便使用者實時、異地查看數據的正確性及穩定性。ZigBee無線傳輸模塊電路如圖5所示。

3 系統軟件設計

3.1 系統主函數

圖5 ZigBee無線傳輸模塊電路Fig.5 ZigBee wireless transmission module circuit

在系統通電后，復位，主程序完成系統函數的初始化工作，包括系統變量定義和給系統變量賦初值等基礎模塊，然后調用A/D采樣函數模塊，通過控制MCU，將A/D采集模塊輸出的24位二進制串行數據轉化為十進制，再進行調零和定標的檢測，分離出4位十進制數據的千位、百位、十位和個位。最后，主程序調用數碼管顯示模塊函數，將對應的數值送到與位選相對應的數碼管上進行顯示。系統主函數流程如圖6所示。

圖6 系統主函數流程Fig.6 System main function flow chart

3.2 A/D數據采集子函數

A/D采集數據函數主要采集壓電傳感器輸出的微弱電信號，HX711內部的前24個ADSK脈沖采集24位串行二進制數據，接下來的1～3個ADSK脈沖選擇下次A/D采集的通道和增益。設計采用1個ADSK脈沖，選擇通道A，增益為128。其流程如圖7所示。

圖7 A/D數據采集子函數流程Fig.7 A/D data acquisition sub-function flow chart

3.3 段數碼管顯示子函數

數碼管顯示程序是利用LED動態顯示數據信息，依次掃描輸出數據的千位、百位、十位和個位參數。

在延時程序中對延時時間的設置要精確。設計中，千位位選、百位位選、十位位選的延時時間為100 ms。如果延時時間設置的太長，因為視覺的暫留效果，會觀察到4位數碼管從左到右依次地顯示，而非同時顯示；如果設置的太短，數碼管亮度會變暗，不便于觀察試驗現象。其流程如圖8所示。

圖8 數碼管顯示子函數流程Fig.8 Sigital tube display sub-function flow chart

3.4 ZigBee無線傳輸子函數

ZigBee無線傳輸函數利用ZigBee無線模塊設置IP地址，與相對應的終端設備連接，形成局域網絡，最終在終端設備上實時顯示當前采集到的重力值。該子函數流程如圖9所示。

圖9 ZigBee無線傳輸子函數流程Fig.9 ZigBee wireless transmission sub-function flow chart

4 系統測試及定標

4.1 系統硬件測試

在系統的硬件調試過程中，首先檢查PCB板上的元器件焊接是否正確，仔細觀察有無漏焊現象，并用萬用表檢測PCB板是否存在短路或者斷路的現象。檢測后再接通電源，同時用萬用表測量電源部分的電壓值，并得到誤差。調試正常后才能接到各部分電路。

按下單片機復位按鍵將系統復位，調用數碼管顯示子函數顯示“1234”。在確定數碼管顯示無誤后，接上傳感器和由HX711構成的24位串行A/D轉換的調理電路和A/D轉換電路，將全部的程序燒到MCU處理器中，觀察數碼管上是否顯示“0000”。若不是，則進行軟件調零工作，待調零完成后，用手給傳感器慢慢施加壓力，觀察數碼管上的數值顯示是否隨著壓力的增加而加大；放手后，再觀察數碼管的顯示數值是否回到0000附近。

4.2 線性度的確定

在進行定標的過程中，依次增大砝碼的質量，盡量把砝碼放在傳感器測試端的邊沿上，使砝碼的重心在傳感器測試區的中心，這樣得出的值比較準確。待數碼管顯示值穩定后，記錄下顯示值，并用MatLab來繪制曲線。

4.2.1 未定標時數碼管顯示值

在軟件部分的設計中，如果沒有加入清零程序，當沒有砝碼放在傳感器上時，數碼管顯示70（g）的初值。 之后輪流在托盤內放上 10，20，40，50（g），…，記錄數碼管的示數。再通過MatLab進行仿真，得出數碼管的顯示值和砝碼值呈線性的關系。圖10為未定標時的線性測試曲線，其數碼管顯示值見表1。

圖10 未定標時的線性測試曲線Fig.10 Linear test curve at unfixed standard

表1 未定標時的數碼管顯示值Tab.1 Digital tube display value at unfixed standard

4.2.2 未定標時數碼管顯示值

使用最小二乘法進行擬合。最小二乘法公式為

求出 k≈0.763，b≈64.044。

最小二乘法具有嚴格的數學依據，盡管計算復雜，但得到的擬合直線精密度高，即誤差小。隨后在代碼設計中加入數碼管顯示清零的程序，定標過程就完成了。定標后的校驗曲線如圖11所示，定標后數碼管的顯示值見表2。

圖11 定標后的線性測試曲線Fig.11 Linear test curve after calibration

表2 定標后的數碼管顯示值Tab.2 Digital tube display value after calibration

4.2.3 誤差分析

由試驗結果可知，因為HX 711本身的靈敏度很高，如果沒有固定好傳感器的水平位置，得出的數據會存在一定的誤差。另外，HX 711的引線也非常靈敏，即使是稍微觸動一下，也會產生機械誤差。

5 結語

基于ZigBee傳輸的高精度壓力控制器，具有實時性高、精確度高，便于遠程查看實時數據，攜帶方便和性價比高等特點。該系統既可以在實地得到高精度的重力值，也可以通過連接局域網，通過終端設備查看實時重力值，極大地方便了數據重復利用率和提高拘束準確性。特別是在確定線性度的過程中，試驗測試數據用MatLab繪圖，可以得出數碼管的顯示值和砝碼值的關系接近為一條直線。由此，得出它們之間的線性擬合關系，最終完成定標。

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