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    基于 STC89C52 的高精度電子秤的設計

    文章出處:admin 人氣:發表時間:2021-05-26 13:57

    1 課題背景現在市面上所用的稱量工具,或是結構復雜,或運行不夠可靠,而且成本偏高,精度的穩定性不夠,調整時間較長,容易發生損壞,維修較困難,裝機容量較大,能源消耗大,制造成本偏高。但電子秤是綜合計算機技術、數據采集技術和信號處理技術等多種科技的新型稱重儀器。由于其方便、快捷與準確等特點,被廣泛應用于工業生產與貿易活動。當今,計算機控制技術被廣泛應用,而由計算機控制的稱重工具不斷朝著高效化、精確化和智能化的方向發展。為此,研究并制造低成本、高性能的簡易電子秤有著十分重要的現實意義。2 設計方案本設計主要由 STC89C52 單片機主控芯片、24 位 A/D 芯片 HX711 電路、稱重傳感器、電源系統、矩陣鍵盤和液晶顯示組成。原理框圖如圖所示。2.1 A/D 轉換模塊A/D 轉換部分是整個設計的關鍵。我們可以選擇 ADC 的種類有傳統的并行、逐次逼近型、積分型 ADC,新發展起來的∑ -Δ 型和流水線型 ADC。根據系統的精度要求采用 HX711集成芯片。2.2 顯示模塊數據顯示是電子秤的基本功能,是重要的人機交互組成部分,能夠將測量電路測得的數據經過微處理器處理后直觀地顯示出來。因為本次設計的顯示模塊需要顯示多位數字,若是使用數碼管顯示,則會占用多個單片機 I/O 口,使得電路復雜化,故選用 LCD1602A 顯示,晶背光電源。2.3 放大電路因為 HX711 芯片兼有 A/D 轉換與放大電路功能,于是在設計中使用使用 HX711 集成芯片。該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程十分簡單,全部控制信號由管腳驅動,不需對芯片內部寄存器進行編程。將系統程序燒錄在 STC89C52 內部的 flash 存儲器中,分為主程序和若干子程序。主程序的功能為系統初始化,管理以及調用每個子程序。如圖 2 所示。3 理論分析與計算電阻應變片為本電子秤設計的重要部件。由應變片產生的電阻變化,然后利用交流全橋測量原理獲得一定大小的輸出電壓,通過電路輸出電壓和標準重量的線性關系,建立具體的數學模型,即可實現對物品質量的稱重。靈敏系數 K 作為重要參數。設有一個金屬電阻絲,其長度為 L,橫截面為半徑是 r的圓形,其面積記作 S,其電阻率記作 ρ,這種材料的泊松系數是 μ。當沒有受外力作用到這根電阻絲時,它的電阻值為 R:R = ρL/S(Ω) ①當金屬電阻絲兩端受到作用力 F 時,將會伸長,說明了金屬電阻絲發生變形。設其長度變化為 ΔL,那么橫截面積縮小,設其截面圓半徑減少 Δr。而且還可以用實驗證明,金屬電阻絲在變形后,電阻率也發生了變化,記作 Δρ。對式①求全微分,即求出電阻絲伸長后,其電阻值發生的改變。由ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 ②用式①去除式②可得ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S ③此外,因為導線的橫截面積為 S = πr2,則 Δs =2πr*Δr,所以ΔS/S = 2Δr/r ④由材料力學可知Δr/r = -μΔL/L ⑤其中,負號表示伸長時,半徑方向是縮小的。μ 是表示材料橫向效應泊松系數。把式④⑤代入③,有ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L=(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L= K *ΔL/L ⑥其中K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) ⑦式⑥說明了電阻應變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率(長度相對變化)之間的關系。4 測試方案與測試結果4.1 測試方案為了更全面、更準確地進行電子秤的測試,我們在測試過程中著重對電子秤的精度進行測試。在測試前必須反復檢查,仿真電路和硬件電路必須與系統原理圖完全相同,硬件電路保證無虛焊。4.1.1 精度精度是指測量儀器的讀數(或測量結果)與被測量真值相一致的程度,不光用來測評測量儀器的性能,還是評價測量結果最基本、最主要的指標。精度還可以用精密度、正確度和準確度三個指標加以表征。4.1.2 信號處理與數據校準本過程在整個設計環節中至關重要。由于砝碼為標準質量 m,在稱重時表現為模擬信號,由電阻應變片和 A/D 轉換模塊收集并轉化。HX711 芯片在轉換完成后對主控芯片返回值的數據與標準質量并不完全匹配,因此需要校正。在本設計中我們多處采用多種不同的數據校準方式,以減小數據的波動,提高數據的線性度。其一,改變HX711驅動程序中的參數,放大采集到的信號;其二,利Microsoft Excel 軟件對采集到的數據進行處理。本過程運用如下公式:⑧式中,φ標準為更接近實際質量的重量值,φ當前 為當前采集到的重量值,為質量為w2情況下的對應AD值,為質量為 w1 情況下的對應 AD 值。并在不同的質量區間內分段處理,利用該法能有效校準數據其三,利用強大的數學工具 Matlab 對測得的數據進行線性擬合,經觀察,三節線性擬合已經能夠基本完美的實現所需的線性性。其四,我們在程序中加入了滑動濾波(中位值平均濾波)大致功能為通過冒泡排序去掉采樣個數(程序中采樣個數 N 取 7)的最大值和最小值,再對剩余的數據取平均值,通過該算法,有效地濾除了突發的干擾信號,保證了數據的線性性質。

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