基于51单片机压力检测系统设计.docx

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1、基于51单片机的压力检测系统设计摘 要：本设计借助压力传感器将压力信号转换成电信号，经过信号放大，使用高精度 A/D转换器件，将模拟信号转换成数字信号，再经单片机运算处理转换成LCD液晶可 以识别的信息，最后显示输出。初始化后可以重设阈值，系统能够实现手动存储八个以 内的数据，并可以查询历史记录，对存储的数据进行统计分析，并且在实时压力检测的 过程中，预警电路一直监视系统的运行。本设计根据压力传感器零点补偿与非线性补偿原理，设计出了测量压力传感器的硬 件电路。采用单片机设计实现，具有精度高、功能强等特点。但是由于自身的稳定性其 测量结果仍存在误差。本课题设计的压力检测系统具有压力测量、超重报警

2、、压力存储 及历史数据查阅和压力值数据的统计分析。该系统的压力检测范围为 0-10Kg，测量精 度可以达到10g，具有高精度，低成本，易携带的特点。采用LCD12864液晶显示测量 结果，比传统压力检测系统的精确度更高和直观性更好。另外，该系统电路简单，成本 低，使用寿命长，应用范围广等优点。关键词：压力传感器；A/D转换器；LCD128644Design of pressure detection system based on MCU 51Abstract：Using pressure sensor converts the pressure signal into electrical

3、signal, after amplification, using high precision A/D conversion device that converts analog signals into digital signals in this design, then through single chip microcomputer processing into the information that LCD can identify, at last displaying and outputting information. After initialization

4、the system can reset the threshold, achieve storing within eight data manually, and can query the history records, the statistic analysis the stored data and in the process of real-time pressure detection, early warning circuit has been monitoring the operation of the system.This paper according to

5、the principle of zero compensation and nonlinear compensation for pressure sensor, designing measuring pressure sensor hardware. Single-chip implementation has the characteristics of high precision, strong function. Because of its stability errors still exist in the measurement. The topic functions

6、for pressure detection system are overweight alarm, storage, statistical analysis of historical data access and pressure value. The measurement range of the system is from 0 to 10 kg, measurement accuracy can reach to 10 g. It has the advantage of high precision, low cost, easy to carry. Measurement

7、 results display with LCD 12864 , Contrast to the traditional pressure test system, it has higher accuracy and intuitive. In addition, the system circuit is simple, low cost, long service life and wide scope of application.Key words：Pressure sensor; A/D converter; LCD12864目 录摘要 IAbstract III目录III1 引

8、言11.1 研究背景及意义 11.2 压力检测系统的研究现状 11.3 课题任务 22 系统分析与总体方案设计 32.1 压力检测系统的整体设计 32.2 压力检测系统的设计方案 32.2.1 实时压力测量显示方案 42.2.2 实时压力监控预警方案 43 系统硬件电路设计 53.1 单片机系统 53.1.1 单片机选型 53.1.2 单片机晶振电路和复位电路 73.2 数据采集模块 83.2.1 压力传感器 93.2.2 信号放大电路 103.2.3 A/D模数转换 113.3 人机交互模块 153.3.1 液晶显示单元 153.3.2 矩阵键盘单元 173.4 声光报警模块 183.5 电

9、源供电模块 184 软件程序设计 204.1 软件开发环境 204.2 I/O端口分配 214.3 软件主程序构架 224.4 主要功能子程序的设计 234.4.1 A/D子程序设计 244.4.2 中断子程序设计 254.4.3 查询历史数据子程序设计 254.4.4 数据统计分析子程序设计 264.4.5 阈值重设子程序设计 274.4.6 人机交互子程序设计 285 系统调试 335.1 数据采集调试 335.2 数据统计分析调试 335.3 声光报警调试 345.4 软件调试 345.5 实物展示 346 结束语 39参 考 文 献 40致 谢 41附 录 A 42附 录 B 44xx

10、本科生毕业设计（论文）1 引言1.1 研究背景及意义近年来，微型计算机越来越普遍地应用于人们的日常工作、生活中。计算机的使用 在工业过程控制生产中是一个重要环节。人们越来越关注由单片机构成的嵌入式系统。 可以毫不夸张的说，高端先进仪器是其构造中含有微型计算机系统，微型计算机控制系 统的产生促使现代控制系统时代的到来。在这信息高速发展的时代，传感器检测系统的发展有两个及其重要的方向，分别为 智能化与集成化。而传感器检测系统智能化和集成化的程度主要取决于系统内部微处理 器的性能1。当前国内外开发和研究的热点是具有数据处理能力，能够进行自动检测、 自动校准、自动误差补偿、自动抽样、以及标度变换功能的

11、智能压力传感器检测系统。 传感器技术是现代测量和自动化技术的重要技术之一。压力测量在工业安全生产的实时监测中具有重要的意义。为了确保工业制造过程中 的高效与安全，必须精确地控制生产过程中的一些诸如压力、流量、温度等主要参数。 其中良好的控制压力，可以保障生产过程中的安全，因此准确地测量压力显得尤为重要。 压力是生产过程中四大重要参数之一，实时检测压力可以判断生产过程中机器是否安全 可靠的运行2。如：确保密闭容器内的压力在安全指标范围以内，确保易燃易爆介质的 压力不超标。压力的检测在其他工业生产环节中对于控制生产的正常运行也非常重要。在一些工 业装置上都时常可以见到有压力表，实时的监测压力大小，

12、如若失常则报警，很好的保 证了生产的安全运作。通过测取压力的大小也可以知晓液面的高度。总而言之，为了保证生产的正常运行，必须按照工艺要求保持稳定的压力，所以准 确测量压力在实际过程是非常重要的。1.2 压力检测系统的研究现状压力检测系统靠的就是压力传感器去采集压力信号。传感器从探索宇宙到海洋的开 发，从生产过程的控制到现代科技文明中都有使用，使用面几乎涵盖了任何一项现代科 技产物。世界上很多国家十分重视发展传感器技术，传感器技术可以应用在工业、农业、 国防、科技等各个领域，有着极其广阔的前景。例如，在日本传感器技术被列为六大核 心技术之一，其他五项核心技术为通信、激光、半导体、超导和计算机。并

13、且日本还将 传感器列为六大技术之首；美国将上世纪 90年代看作是传感器时代，将传感器技术列 为90年代22项关键技术之一。我国在传感器的研究上也已经有二十多年的历史并取得 了很大的成就。21世纪提出了科学技术就是第一生产力的口号，各项科学技术在这一浪 潮下取得了突飞猛进的发展和进步，传感器技术也越来越受到各方面的重视，虽然在某 些领域我国已赶上或者接近世界先进水平。但是从总体来看，我国在传感器技术的研究 和生产还落后于国外传感器技术，如今正处于方兴未艾的阶段。由于智能传感器系统的 研究起步较晚，各方面理论缺乏和实践不够，离实际应用需求还有很大差距，尤其是用于压力测量的压力传感器。如何生产高性能

14、、小体积、低成本的智能压力传感器系统还 需进一步开发和研究。因此，研究开发高性能的智能压力传感器系统有利于促进信息技 术及自动化技术的发展，对提高设备性能及自动化水平具有重要意义。压力的实时检测和控制能够保证生产设备的安全运行。压力传感器是工业仪器、仪 表控制中最为常用的一种传感器，广泛地应用在各种工业生产环境中，涉及众多行业。 通过压力传感器将被测物体的压力信号转化为电信号，再经过放大器进行信号放大，送 至24位A/D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机 转换成LCD显示器可以识别的信息，最后显示输出。1.3 课题任务该设计能够实现压力检测系统的智能检测，如实时压

15、力测量、手动存储压力值、压 力预警、数据统计分析等。该课题以 STC89C51RC 单片机为控制核心，配合电阻应变 式压力传感器、A/D模数转换芯片HX711、12864液晶显示等外围器件，对压力检测系 统进行控制与数据采集。LCD液晶设备显示压力值的测量结果及数据统计分析结果等， 配合蜂鸣器和 LED二极管进行声光报警。压力传感器采集被测物体的压力信号，传输 给单片机进行分析处理。另外系统配有键盘，可以实现手动存储、预警值设定、系统复 位，数据统计分析的有关功能。第 34 页 共 61 页2 系统分析与总体方案设计2.1 压力检测系统的整体设计压力检测系统装置主要由五个模块组成：1、数据采集

16、模块。该模块的作用是将检测到的模拟信号转换成为数字信号，经电 平保护后输出到数据处理部分。2、信号处理模块。用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运 算，并发出控制指令。3、人机交互模块。由4*3矩阵键盘及液晶显示单元组成。通过4*3矩阵键盘对单 片机下达指令实现对系统的控制；显示采用12864液晶模块，可以提供丰富、直观、友 好的信息界面。4、声光报警模块。当报警程序启动时，蜂鸣器发出声音、发光二极管点亮。5、电源供电模块。系统通过USB电源供电，单片机程序也可通过USB线串行下 载。借助按键开关操作可控制电源的通断，实现系统的良性运作。通电后电源指示灯点 亮。压力检测系统框图

17、如图2.1所示：图2.1 压力检测系统框图2.2 压力检测系统的设计方案实时压力测量和实时压力监控预警是压力检测系统装置的最重要两个部分，它是 实现其他功能的基本条件，这两部分性能的好坏将关系到整个系统的性能，所以设计 一个成本低、可靠性高、测量精度高、安装调试方便的压力检测系统是该设计的关键。2.2.1 实时压力测量显示方案本装置中系统压力的检测，采用量程为10kg的高精度电阻应变式压力传感器， 将压力信号转换为模拟信号，再传送给A/D模数转换芯片HX711。输出数字信号给 单片机进行处理分析。压力传感器在每次单片机复位后自动校准归零。再放上物体进 行压力测量，显示器可以实时显示当前所测物体

18、的质量，并且用户可以根据需要将压 力值进行手动存储，然后通过按键查询所存储的历史数据。2.2.2 实时压力监控预警方案为了实时监控压力大小，预先在程序中设定阈值为9.999kg，系统开启后默认的 阈值即为9.999kg。用户可以根据需要通过按键操作，在0.0009.999kg区间内修改阈 值大小。然后按确认键即可完成阈值重设的操作。放置被测物体在压力托盘上，当压 力超过所设定的压力值时，系统报警，LED灯点亮，蜂鸣器发出声音。被测物体的 压力，经过传感器变为模拟信号，再经模数转换芯片HX711转换为数字信号。输出 给单片机，然后运算处理，判断检测到的压力和阈值，如若该压力大于阈值，则系统 将显

19、示出此时压力值，并发出报警提示；小于则在液晶上正常显示当前压力值。3 系统硬件电路设计3.1 单片机系统单片机是集成在一块芯片上的完整计算机系统。单片机很多功能集成在一块小芯 片上，它具有一个完整计算机所需要的大部分组件：外部总线系统、内存和CPU同 时集成实时时钟通讯接口、定时器和实时时钟等外围设备。单片机也称作单片微电脑 或单片微型计算机，它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存 储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件集成在一块集成电路芯 片上的微型计算机。3.1.1 单片机选型世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位到16位再到32位，

20、数 不胜数，应有尽有，有很多与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特 色，相辅相成，为单片机的应用提供广阔的天地。自从上世纪80年代初Intel公司推出MCS-51系列单片机以后，全球诸多著名的 半导体厂商相继生产与51系列兼容的单片机，使得单片机型号不断增加，功能不断 增强，品种不断丰富3。本系统采用STC89C51RC作为核心单片机系统，STC89C51RC 是一种高性能、低功耗8位微控制器。引脚图如下图3.1所示。ElbeepLPLOVCC (AD0)P00 (ADL)P0.1 (AD2)P0-240vccJett239R0W43pi 38ROW3437PDSCK5L . J

21、PL4 Pl s36(AD3)PO3 (AD4)P0.4 (AD5)PO5DOU535SO ZK7Pl 634SI_ZK &33(AD6)P06RST9RST(AD7)P0.7EATPRXD10P3 0(RXD)31K.rppTXDIL30 v,uvPl 1*VTTALE.PROGROW21229PSEN (A15)P2.7 (A14)P2.6ROW13P33(INTL)P3.4(TO)28LCD CSCOL114.27LCD RES8L2IS26LCD RSP3.(T1)TQ AE0(A13)P2 5 (A12)P2.4 (A1t)P2 3 ,A10*228L31625LCD 5DACOL4

22、17P3 7(RD YT T )24LCD 5CKX21823LEDA1912xL yp4L1.22CS_ZK20mTi(A8)P2O21sck z1STC89C51GND图3.1 单片机引脚图单片机各引脚介绍： I/O 口弓I脚P0 （第32脚39脚）：双向8位三态I/O 口。当接外部存储器时，总线复 用，不仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的低 8位。 I/O 口引脚P1 （第1脚8脚）：8位准双向I/O 口。由于此端口没有高阻态，所以无 法输入进行锁存，所以并不是真正意义上的双向I/O。 I/O 口弓I脚P2 （第21脚28脚）：8位准双向I/O 口。当使用外部存储器时，总线复 用，不

23、仅可以作为数据总线，也可作为地址总线的高8位。 I/O 口引脚P3 （第10脚17脚）：8位准双向DO 口。P3 口不仅可以作为一般的数 据总线使用，这8个引脚还有各自的特殊功能，属于复用双功能口。作为第二功能 使用时，各引脚的定义如表3.1所示，值得强调的是，P3口每一条引脚均可独立定 义为第一功能的输入输出或第二功能。表3.1 P3口第二功能表引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入端）P3.1TXD（并行输入端）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器/计数器0输入端）P3.5T1（定时器/计数器1输入端）P3.6WR（外部数据存储器写选通信号输出端）

24、P3.7RD（外部数据存储器读选通信号输出端） 电源引脚Vcc （第40脚）：接+5V电压。 电源引脚Vss （第20脚）：接地。 外部晶振引脚XTAL1与XTAL2 （第19脚,18脚）：接外部晶振时，将振荡信号输入 给单片机内部的时钟发生器。 EA（第31脚）：当EA为低电平时，不管内部是否有程序存储器（8031型号单片机 没有内部存储器），单片机只访问外部程序存储器。当EA为高电平时，先访问内部 程序存储器，当寻址地址超过容量时，自动访问外部程序存储器。 PSEN（第29脚）：当从外部程序存储器读取指令时，每个机器周期内PSEN两次有 效，时外部程序存储器的读选通信号。 ALE （第30

25、脚）：当不访问外部存储器时，ALE引脚周期性的输入正脉冲信号，可 以作为对外输出的时钟，频率为振荡器频率的1/6。当访问外部存储器时，ALE用 于地址低位字节的锁存。 RST （第9脚）：当RST上出项两个机器周期以上的高电平时，单片机将复位。单片机STC89C51RC内部ROM空间大小为4K，地址范围从0000H到0FFFH。RAM 空间大小为128字节，地址范围从00H到FFH。地址80H到FFH为特殊功能寄存器区， 用于计数器/定时器，串行通信，累加器以及一些特殊的控制寄存器。3.1.2 单片机晶振电路和复位电路（1）晶振电路晶振是晶体振荡器的简称在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并

26、联再串联 一个电容的二端网络。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工 作，给单片机提供工作所需要的时钟信号4。理论上来说，振荡频率越高表示单片机运 行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。如同木桶原理。同 时单片机性能的好坏，不仅与 CPU运算速度有关，而且与存储器的速度、外设速度等 都有很大关系。因此一般选用 612MHZ。并联谐振电路对电容的值没有严格要求，但 会影响振荡器的稳定、振荡器频率高低、起振快速性等。陶瓷封装电容可以进一步提高 温度稳定性STC89C51RC内部有一个高增益反相放大器用于构成振荡器。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值选择与

27、负载电容值相等的并联电容就可 以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶 振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地。这两个电容串联 的容量值就应该等于负载电容。一般的晶振的负载电容为15pF或12.5pF， 如果再考虑元件引脚的等效输入电容， 则两个22pF的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波。这个波对电 路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，为了电路的稳定性起见。 ATMEL 公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个 10pf-50pf 的瓷片电容接地来削减偕波

28、对电路 的稳定性的影响，所以晶振所配的电容在 10pf-50pf之间都可以的。本系统采用了 12 MHZ的晶振。C3GND图3.2 单片机时钟原理图（2）复位电路单片机的复位电路有两种，上电自动复位方式以及手动复位方式。本系统已具备电 源开关键，可以使用上电自动复位方式。复位是单片机的初始化操作。其主要功能使单片机从0000H单元开始执行程序。51单片机是高电平复位，给单片机加5V电源（上电） 启动时的情况：这时电容充电相当于短路（电容特性：通交流，隔直流，上电瞬间相当 于交流），可以认为RST上的电压就是VCC，这是单片机就是复位状态。随着时间推移 电容两端电压升高，即造成RST上的电压降低

29、，当低至阈值电压时，即完成复位过程。 外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。RST脚上只要保持10ms 以上高电平，系统就会有效复位。电容C1可取1033F，R取10k，充电时间常数为 1010-610103=100ms。其电路如图3.3所示：12 3 4 5 67 8 9 0hx711图3.3 单片机复位原理图电容的作用就是缓冲使RST端保持高电平一段时间，以达到有效复位，电容越大， 保持的时间就越久。单片机的复位需要至少持续两个机器周期以上的高电平的时间，所 以在刚开始上电的时候图3.3中的电容C1 充电，所以在单片机的复位引脚RST上会出 现大于2个机器周期的高电平，使单

30、片机复位。3.2 数据采集模块使用型号为CZL-A、量程为10kg的电阻应变式压力传感器，对被测物体进行压力 采集并将其转换成电压信号，输出电压信号通常很小，此时需要利用HX711转换模块 中的可编程放大器进行放大。放大后的模拟电压信号经24位A/D转换芯片HX711电路 转换成数字量，通过2线串行方式与单片机通信，即可完成数据的采集工作。数字采集 模块原理图如图3.4所示。U3vcc POUT PDSCKGND图3.4数据采集模块图3.2.1 压力传感器（1）压力传感器的选择在本设计中，我们需要使用压力传感器来对物品重量进行测量。压力传感器在压 力检测系统中是一个重要的元件，因此，在选择压力

31、传感器时需要考虑其量程和参数， 还要考虑它的性价比和兼容性等等。由压力传感器将所测压力信号转换成容易测量的电 信号输出，经过A/D转换及单片机处理后传送给液晶显示压力值，或供报警使用。压力 传感器的种类有很多，比如应变式传感器，电容式压力传感器、压电传感器，谐振式压 力传感器直接位移式传感器或是利用磁弹性、压阻等物理效应的传感器。压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器5。但压电传感 器只能用于动态测量。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才 能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传 感器不能用于静态测量。压电传感器主要应

32、用在加速度、压力和力等的测量中。电阻应变式传感器具有悠久的历史。电阻应变式传感器具有金属的应变效应，即如 果有外力存在，那么金属会发生微弱的形变，从而改变其电阻值。它具有结构简单，精 度高，易于实现小型化等特点，因此是目前应用最广泛的传感器之一。对于大应变有较 大的非线性的输出信号较弱，但可以通过一些措施来补偿。电阻应变片把机械应变信号转换为 R/R后，因为压力传感器在工作时应变片的形 变量很小，导致电阻变化很微弱，测量得到的结果未必准确，并且由于结果数值很小， 导致我们处理起来将会十分困难。因此，我们可以把测量结果经过某些电路将电阻变化 或形变量转化为电信号，以此来提高测量效率和精确度6。此

33、处通常选用测量电桥作为 转换电路。此处的测量电桥选用直流电桥，因为直流电桥抗干扰能力强，但是输出信号小，所 以需要对转换的电信号通过高效的放大电路进行放大。R1、R2、R3和R4组成惠更斯 电桥，将两对电阻应变片的阻值变化转变成输出电压，其工作原理如图3.5所示。图3.5 测量电桥原理图（2）电阻应变式传感器测量原理电阻应变式压力传感器主要由弹性元件、电阻应变片等组成。传感器内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，转换元件电阻应变片也会受到拉伸或 变形，它的阻值将发生变化，从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电 路测量和处理。电阻应变式传感器测量原理图如图3.6所示。图3

34、.6 电阻应变式传感器测量结构图当外界施加一个垂直正压力P作用于金属横梁上时，横梁产生形变，电阻应变片 R1、R3 受压弯拉伸，阻值增加；R2、R4 受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生 不平衡电压，不平衡电压与作用在传感器上的载菏P成正比，从而将非电量转化成电 量输出7。（3）电阻应变片的基本结构电阻应变式压力传感器是将所测物体压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量 的。应变片即是该型传感器的核心，它是由金属导体或半导体制成的电阻体，是一种将 被测件上的应变的变化转换成为一种电信号的敏感器件。通常是将应变片通过特殊的方 式使其紧密的粘合在应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也跟着

35、产生 形变，应变片的阻值也改变，从而使加在电阻上的电压发生变化7。电阻应变片主要由四部分组成。基本结构如图3.7所示，电阻丝是应变片敏感元件； 基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用，并使电阻丝和被测试件之间绝缘，引出线用 以连接测量导线。图 3.7电阻应变片的基本结构3.2.2 信号放大电路压力传感器的输出电压范围为020mV，而A/D转换的输入电压需要为02V，因此放大环节要有100倍左右的增益。对放大环节的要求是增益可调的（ 70150倍）， 根据本设计的实际情况增益设为 100倍即可。由压力传感器的测量原理可知，电阻应变片组成的传感器是把机械应变转换成电阻 的相对变化率 R/R，而应变电

36、阻的变化一般都很微小，例如传感器的应变片电阻值 200，灵敏系数 K为3，弹性体在额定载荷作用下产生的应变为1000，则应变电阻相 对变化率为：R/R = K= 3100010 6 =0.003（3-1）由式3-1可以看出电阻变化R只有0.6，其电阻变化率只有0.3%。这么小的电阻变化 既难以直接准确地测量，又不便直接处理。所以必须采用转换电路，把应变片的 R/R 变化转换成电压或电流变化，但是这个电压或电流信号很小，需要增加增益放大电路来 把这个电压或电流信号转换成可以被A/D转换芯片接收的信号。我们采用结合HX711 芯片的放大电路，图3.8如下所示：图3.8 HX711芯片放大电路3.2

37、.3 A/D模数转换模拟量输入通道的任务是将模拟量转换成数字量。能够完成这一任务的器件称之为 模数转换器，简称A/D转换器。本次设计中A/D转换器的任务是将放大器输出的模拟 信号转换位数字量进行输出。（1）A/D转换模块器件选择目前许多类型的单片机内部已带有 A/D转换电路，但此类单片机会比无 A/D转换 功能的单片机在价格上高出一些，为了节约成本，我们采用一个51单片机加上一个A/D 转换器，实现模数转换的功能， A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好， 会使得整个设计毫无意义。目前，世界上有多种类型的 A/D转换芯片，有传统的并行、 串行、逐次逼近型、积分型 ADC，也有近年来新

38、发展起来的-型和流水线型ADC， 多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的应用要求。这里A/D转换芯片可选ADC0832、ADC0809、HX711等；A/D转换芯片种类很 多，最常见的属于串行和并行接口模式，接口模式是选择器件的一项重要指标。在同 样的转换分辨率和转换速度的下，不同的接口方式会对电路结构及采用周期产生影 响。本次设计并没有选择常见的并行接口A/D转换器ADC0809或者串行接口A/D转 换器ADC0832。根据系统的精度要求以及综合的分析比较，本设计采用了24位A/D 转换器HX711，芯片封装如下图3.9所示。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包 括稳压电源、片内时钟振荡

39、器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、 响应速度快、抗干扰能力强等优点。降低了系统的整机成本，提高了整机的性能和可 靠性。褪压电路电源 VSUP匚1 16二J DVDD 数字电源趣东电路控制*出 BASE匚215二1 R.4TE输出数据速率控制输入辣拉电源AVDD匚3H XI外部时钟或品券输入徽爪电路冲制输入VFB匚413二XO晶振输入模拟地AGND匚512二3 DOUT 申数据输出卷考电说特出 VBG匚6U二PD_5CK断电和串口时钟输入通iflA金输入 INNA 匚710口 INPB地道B正输入堆通道A正轴入端NPA匚S9口 INNB通道B负输入端SOP-16L 封装图3.9

40、HX711封装图（2）A/D转换芯片HX711的简介HX711芯片采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度压力测量而设计 的24 位A/D 转换器芯片。该芯片与单片机的接口电路设计和程序编写非常简单，所有 控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A 或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道 A 的可编程增益为128 或64， 对应的满额度差分输入信号电压值分别为20mV或40mV。通道B 则为固定的32 增 益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源8。芯片内的时钟

41、振荡器不需要任何外 接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。有关引脚说明如下表3.2所示：表3.2 HX711引脚说明管脚号名称性能描述1VSUP电源稳压电路供电电源：2.6V5.5V2BASE模拟输出稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接）3AVDD电源模拟电源：2.6V5.5V4VFB模拟输入稳压电路控制输入（不用稳压电路时为应接地）5AGND地模拟地6VBG模拟输出参考电源输出7INA-模拟输入通道A负输入端8INA+模拟输入通道A正输入端9INB-模拟输入通道B负输入端10INB+模拟输入通道B正输入端11PD _SCK数字输入断电控制（高电平有效）和串口时钟输入12DOUT

42、数字输出串口数据输出13XO数字输入输出 晶振输入（不用晶振时无连接）14XI数字输入外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器15RATE数字输入输出数据速率控制，0:10HZ；1:80HZ16DVDD电源数字电源：2.6V5.5V正常情况下HX711与单片机的接口应为2条数据线，分别是PD_SCK、DOUT。它 的结构示意图如图3.10所示。10uF传感器匚ADDI5B- nF 匚VBG0. luzqr,VVaTDS8550DDDPD SC：KHX711ToTto MCIItermlOscillatorDigital InterfaceAnalog Supply Regulator!44itB

43、nndgai) Reference图3.10 HX711内部方框图芯片的串口通讯线由PD_SCK 和DOUT 两端口构成，用来输出数据，选择输入通 道和增益。当数据输出管脚DOUT 为高电平时，表明A/D 转换器还未准备好输出数据， 此时串口时钟输入信号PD_SCK 应为低电平。当DOUT 从高电平变低电平后，PD_SCK应输入25 至27 个不等的时钟脉冲（图二）。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出 24 位数据的最高位（MSB），直至第24 个时钟脉冲完成，24 位输出数据从最高位至最 低位逐位输出完成。第25至27 个时钟脉冲用来选择下一次A/D 转换的输入通道和增益， 参见下表3.3

44、表3.3 输入通道和增益选择PD_SCK脉冲数输入通道增益25A12826B3227A64PD_SCK 的输入时钟脉冲数不应少于25 或多于27，否则会造成串口通讯错误。当A/D 转换器的输入通道或增益改变时，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才能稳定。DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。（4）HX711的数据输出，输入通道和增益选择时序图如下图3.11所示。当前特抉同期T2:PD_SCK 脉冲上升沿 到DOUT数 据有效T3：PD_SCK 正脉冲电平时 间下一仲探周期一个数据输出周期时间T1：DOUT下降 沿到PD_SCK脉 冲上升沿T4：PD_SCK 正脉

45、冲电平时 间图3.11 数据输出，输入通道和增益选择时序图当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD_SCK 用来 控制HX711 的断电。当PD_SCK 为低电平时，芯片处于正常工作状态。断电控制图如 下图3.12所示。断电控制:新电正常工作图3.12 断电控制芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才 能稳定。DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。3.3 人机交互模块矩阵键盘和液晶显示电路是压力检测系统与用户交互的接口，用户通过显示来观察 压力大小及经过数据统计分析处理后的系统状态参数，再根据观察到的值

46、，通过键盘对 单片机进行控制。本节设计了较为合理的键盘和显示电路完成这些功能。3.3.1 液晶显示单元LCD12864用来显示实时压力值，液晶屏电路如图3.13所示。LCD_CS、LCD_RES、 LCD_RS、LCD_SDA、LCD_SCK为液晶模块与单片机接口的控制线。CS_ZK、SCK_ZK、 SO_ZK和SI_ZK为字库和单片机接口的控制线。U3 JLX12864GNI PON Hsowu wo olsoQ3SSA ciA d sSM Hsa soI XN I/ e Mz xll9 UN10 lLI5X llMorl引 tn SXIQI目 君1图3.13 12864液晶该LCD液晶为晶联讯公司的生产的128*64汉字屏JLX12864G-086-PC显示模块。 该显示模块既可