基于AT89S52單片機(jī)智能重量篩選裝置設(shè)計

李佑長，何春燕

（玉林師范學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，廣西 玉林537000）

0 前言

智能稱重技術(shù)[1-3]在食品行業(yè)日益受到關(guān)注，一些結(jié)合最新技術(shù)的應(yīng)用使原有生產(chǎn)工藝持續(xù)改進(jìn)，從而使食品質(zhì)量更好、生產(chǎn)過程更加高效，為企業(yè)帶來了可觀的效益。但部分企業(yè)的重量篩選裝置也存在功能相對簡單、生產(chǎn)檢測篩選效率低的缺陷。本文介紹的基于單片機(jī)開發(fā)的智能重量篩選裝置[4-5]就是可應(yīng)用在生產(chǎn)線上，用來檢測物品重量是否達(dá)標(biāo)而設(shè)計的，且可應(yīng)用于其它需要做重量篩選的相關(guān)行業(yè)。本文開發(fā)的稱重裝置應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行循環(huán)掃描稱量，實現(xiàn)自動控制，并利用回轉(zhuǎn)臺的原理，以最低的成本使裝置更加高效地篩選貨物。這種高效的稱量方式取代了傳統(tǒng)的人工稱量，保證了生產(chǎn)的快速化和準(zhǔn)確化。

1 系統(tǒng)組成

本裝置總體設(shè)計包括可360°旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)臺裝置、篩選桿剔除裝置、傳送帶裝置、711AD轉(zhuǎn)換模塊、重力傳感器模塊、紅外對管模塊、按鍵輸入模塊[6]、轉(zhuǎn)接板模塊和液晶顯示電路。系統(tǒng)的核心控制器為AT89S52單片機(jī)，按鍵調(diào)節(jié)主要控制物品的重量參數(shù)，可根據(jù)檢測物品種類的重量不同調(diào)節(jié)已知所需要重量目標(biāo)值和誤差值，單片機(jī)會根據(jù)使用者調(diào)節(jié)的目標(biāo)值和誤差值來篩選物品。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計使用Keil MDK軟件設(shè)計平臺，采用C語言開發(fā)。Keil軟件為基于Cortex-M、ARM7處理器設(shè)備提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境。軟件的編寫采用模塊化的設(shè)計思想，將整個軟件部分逐步劃分為子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)細(xì)分化為各個功能模塊來實現(xiàn)，最后再將所有的模塊程序融合成一個大系統(tǒng)來實現(xiàn)所需要的功能。

2.1 12864液晶顯示驅(qū)動程序設(shè)計

12864[7]是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128*64全點陣液晶顯示器組成。IR是用于寄存指令碼，與數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)相對應(yīng)。當(dāng)D/I=0時，在E信號下降沿的作用下，指令碼寫入IR。DR是用于寄存數(shù)據(jù)的，與指令寄存器寄存指令相對應(yīng)。當(dāng)D/I=1時，在下降沿作用下，圖形顯示[8]數(shù)據(jù)寫入DR，或在E信號高電平作用下由DR讀到DB7～DB0數(shù)據(jù)總線。相關(guān)函數(shù)名稱如下：

void lcd_init（）；//c初始化函數(shù)

void lcd_eliminate（）；//清屏函數(shù) void LCD_XY（unsigned char X，unsigned char Y）；//顯示行列函數(shù)void display_num（char X，char Y，unsigned int shu）；//顯示數(shù)字函數(shù) void lcd_str（unsigned char X，unsigned char Y，unsigned char*p）；//顯示字母函數(shù)

void write_com（unsigned char com）；//寫指令函數(shù)void write_data （unsigned char date）；//寫數(shù) 據(jù) 函 數(shù)void send_bit（unsigned char byte）；//發(fā)送指令函數(shù)

2.2 711AD轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動程序設(shè)計

HX711[9-10]是一款24位 A/D轉(zhuǎn)換器芯片。HX711可以產(chǎn)生VAVDD和AGND電壓，即711模塊上的E+和E-電壓。該電壓通過VAVDD=VBG（R1+R2）/R2計算得出傳感器的供電電壓。該模塊電壓只有在采樣時刻才有輸出，因此用萬用表讀取的值可能會低于4.3 V，具有低功耗的特點。利用HX711采集計算重量傳感傳輸感受應(yīng)力變化的電壓，進(jìn)而反饋回單片機(jī)控制并調(diào)節(jié)。相關(guān)函數(shù)名稱如下：

unsigned long HX711_Read（void） //增益 128

{unsigned long count；unsigned char i；

HX711_DOUT=1；//打開 HX711_DOUT

Delay__hx711_us（）；

HX711_SCK=0；//關(guān)閉 HX711_SC

count=0；

EA=1；//開總中斷

while（HX711_DOUT）；//當(dāng) HX711_DOUT口接收到指令

EA=0；//關(guān)總中斷

for（i=0；i＜24；i++）//依次發(fā)送24位數(shù)據(jù)

{ HX711_SCK =1； count =count ＜＜1；HX711_SCK=0；if（HX711_DOUT）count++；}

HX711_SCK=1；//打開 HX711_SC

count=count^0x800000；//第 25 個脈沖下降沿來時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

Delay__hx711_us （）；HX711_SCK=0； //關(guān) 閉HX711_SC

return（count）；}

2.3 軟件設(shè)計總體流程

系統(tǒng)上電后進(jìn)行時鐘初始化、I/O口和相關(guān)外設(shè)初始化，按鍵輸入關(guān)于所檢測物品篩選的目標(biāo)值和誤差值，確定完畢后按鍵啟動硬件開始運(yùn)作，電機(jī)帶動傳送帶傳送，將物品運(yùn)輸?shù)街付üぷ髋_，紅外對管檢測物品是否落入指定位置，若檢測到信號發(fā)生變化，便將信號反饋給單片機(jī)，使單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)60°（工作臺360°分為6個小區(qū)域，每個區(qū)域平均分配60°），在這一過程中，紅外對管[11]一直循環(huán)檢測而重量傳感器也一直都在準(zhǔn)備感應(yīng)是否有物品落下，一旦電子秤檢測到有物品落入，重量傳感器就會根據(jù)開始按鍵值所設(shè)的目標(biāo)值和誤差值進(jìn)行對物品篩選。系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體流程圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為驗證篩選裝置設(shè)計是否能達(dá)到所需要的功能，采用較便宜且易制作的替代材料制作簡易的重量篩選裝置，裝置部分結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 簡易重量篩選裝置

3.1 51單片機(jī)

本設(shè)計采用的核心控制芯片AT89S52[12]是一款具有8 K內(nèi)存，性能較高，功耗較低的微處理芯片。單片機(jī)因為操作簡單，造價低，通常用在各種電子儀器和電子設(shè)備中，其中一些單片機(jī)因為處理數(shù)據(jù)快速，數(shù)據(jù)存儲內(nèi)存較大，可反復(fù)燒寫程序而備受大家追捧。

3.2 回轉(zhuǎn)工作臺

該裝置在運(yùn)輸物品的過程中結(jié)合以往回轉(zhuǎn)工作臺的原理，設(shè)計了一款新型的回轉(zhuǎn)工作臺。回轉(zhuǎn)工作臺本體為六方圓柱體，圓柱體底面以圓點為中心，將360°平均分為6個60°角，頂面采取不封閉狀態(tài)，圓柱體中間有兩個轉(zhuǎn)動軸體連接，并由電機(jī)控制驅(qū)動，使工作臺本體能夠同時沿豎直軸和圓柱平面旋轉(zhuǎn)，結(jié)合紅外對管能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)工作臺簡易模型

3.3 推桿裝置

推桿裝置位于回轉(zhuǎn)工作臺下部，僅由三個構(gòu)件組成的平面低副，而其中一個構(gòu)件為機(jī)架，按照平面自由度算法，只需給定一個原動件就可驅(qū)動桿件收縮，由舵機(jī)驅(qū)動協(xié)助完成物品運(yùn)輸途中的篩選步驟。其具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活性高、易操作等特點。其大概結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 推桿裝置簡易模型

3.4 重量傳感器模塊

電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。壓力傳感器[13]是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的器件。當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。

3.5 LCD12864液晶

顯示部分選用LCD12864液晶，液晶采用串行的通信方式與單片機(jī)進(jìn)行通信。通信協(xié)議是SPI協(xié)議，這樣的方式使得接口信號線減少，液晶采用直流5 V供電。其中它的RS數(shù)據(jù)/命令選擇端接到P2.7引腳，R/W讀寫選擇端接到P2.6引腳，E信號使能接到P2.5引腳，PSB接到P2.2引腳。簡易模型液晶顯示屏如圖6所示。

圖6 液晶顯示屏

4 實驗測試

本簡易裝置主要是為了驗證電子秤的重量傳感器的采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度與可行性。

4.1 重量傳感器采集數(shù)據(jù)測量

為了測試準(zhǔn)確，本次采用五種不同的重量進(jìn)行測試，而且每種重量均測試5次，得到表1中的數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)可以分析得到，在進(jìn)行單片機(jī)采集重量數(shù)值時，重量傳感器采集的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，與實際物品重量相差不超過1g，可以應(yīng)用于實際生產(chǎn)，此外通過升級傳感器級別與減少裝置制造誤差可以進(jìn)一步提升精度。存在不足之處在于由于測試裝置制作材料較簡單，對于重量較小（10g）的物品誤差有些偏高（達(dá)到8%），對于小重量的物品需要對裝置精度做進(jìn)一步的提升，以滿足重量控制需要，當(dāng)然需要增加較多成本。

表1 單片機(jī)采集重量數(shù)據(jù)

4.2 回轉(zhuǎn)工作臺角度控制測試

回轉(zhuǎn)工作臺以底盤為圓形制作的360°旋轉(zhuǎn)的傳輸裝置，分成6個角度均為60°角的區(qū)域，上邊構(gòu)成六邊棱柱型，對于角度轉(zhuǎn)動精度方面有一定的要求。角度測試結(jié)果見表2中數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)分析得到，在進(jìn)行單片機(jī)利用紅外對管檢測控制回轉(zhuǎn)工作臺的角度時，重量傳感器采集的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，與實際角度60°相差不超過0.5°，誤差率均小于1%，具有較高的精度，可以應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

表2 回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)角度測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本重量篩選裝置結(jié)合計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)為一體完成本次設(shè)計，并利用360°旋轉(zhuǎn)工作臺加以改進(jìn)，實現(xiàn)物品運(yùn)輸高效化，采用一對多的運(yùn)輸篩選通道，使產(chǎn)品檢測方面大幅度提升，應(yīng)用成本方面大大地降低。通過簡易試驗裝置所做的試驗結(jié)果表明本設(shè)計裝置在原有的物品運(yùn)輸和物品篩選渠道方面更有效地提升了自身裝置的優(yōu)越性，且制作簡單，結(jié)構(gòu)清晰，可有效培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用各種知識的能力，也為市場提供了更具性價比的優(yōu)勢產(chǎn)品。