1、 基于電阻應(yīng)變片式傳感器的電子秤設(shè)計(jì)摘要：給出了采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為微控制器，結(jié)合電阻應(yīng)變片式傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、開(kāi)關(guān)、液晶觸摸屏等部分設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)易電子秤的實(shí)現(xiàn)方法，可以實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重，稱(chēng)重后的金額計(jì)算以及多金額時(shí)金額的累加計(jì)算等功能，程序內(nèi)部附帶算術(shù)計(jì)算器。本電子秤具有體積小、成本低、精確度和可靠性高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：傳感器；單片機(jī)；STM32F103ZET6；電子秤Abstract:STM32F103ZET6ispresentedasAmicrocontroller,combinedwiththeresistancestrainchipsensor,A/Dconverter

2、,switch,LCDtouchscreenandotherpartofthedesignofAsimplemethodtorealizetheelectronicscale,canrealizetheweighing,afterweighingmorethantheamountofcalculation,andtheamountaccumulativecalculationofthefunction,suchaswithintheprogramcomeswitharithmeticcalculator.Thiselectronicscaleissmallvolume,lowcost,high

3、accuracyandreliability,etc.Keywords:sensor;Singlechipmicrocomputer;STM32F103ZET6;ElectronicscaleTOC o 1-5 h z系統(tǒng)方案41.1內(nèi)部核心論證與選擇41.2稱(chēng)重傳感器的論證與選擇41.3輸入與輸出模塊的選擇4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算5系統(tǒng)總設(shè)計(jì)52.2簡(jiǎn)易電子秤工作原理52.3四臂全橋放大電路的原理分析與計(jì)算5電路與程序設(shè)計(jì)5電路的設(shè)計(jì)5 HYPERLINK l bookmark6 o Current Docume

4、nt 3.1.1控制部分電路63.1.2傳感器模塊6 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 3.1.3轉(zhuǎn)化電路6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3.1.4降壓模塊7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3.1.5顯示與輸入模塊7程序的設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3.2.1程序工作原理的簡(jiǎn)介83.2.2主程序流程圖8 HYPERLINK l bookmark16 o Current Doc

5、ument 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果10 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 4.1測(cè)試方案10測(cè)試條件與儀器10測(cè)試結(jié)果及分析104.3.1測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）104.3.2測(cè)試分析與結(jié)論10結(jié)語(yǔ)110引言稱(chēng)重裝置目前已經(jīng)普遍應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并且對(duì)稱(chēng)重儀表的要求也越來(lái)越高，例如儀表要求具有更高的抗干擾能力和更高的精度1，早期電子秤一般是通過(guò)模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，隨著電子技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字芯片價(jià)格的逐漸降低，模擬控制已經(jīng)慢慢被數(shù)字控制替代，而電子秤設(shè)計(jì)的模式也大多轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴幚砥鳛楹诵牡哪Ｊ剑渚扰c可靠性也都有明顯的提高。本文以電阻應(yīng)變片為信號(hào)采集單元

6、、STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一款重量輕、計(jì)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、操作方便的簡(jiǎn)易電子秤系統(tǒng)。1系統(tǒng)方案電子秤是利用物體的重力作用來(lái)確定物體質(zhì)量的測(cè)量?jī)x器，也可用來(lái)確定與質(zhì)量相關(guān)的其它量大小、參數(shù)或特征。其基本組成單元主要有以下三個(gè)：1.1內(nèi)部核心：?jiǎn)纹瑱C(jī)是即是軟件運(yùn)行的中心，同時(shí)也是整個(gè)電路的“大腦”對(duì)此我們?cè)O(shè)立了三個(gè)方案對(duì)各種單片機(jī)進(jìn)行比較:方案一STC89C52RC單片機(jī)STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備

7、的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。方案二Arduino單片機(jī)Arduin。能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知環(huán)境，通過(guò)控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來(lái)反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過(guò)Arduino的編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序,編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。對(duì)Arduino的編程是利用Arduino編程語(yǔ)言（基于Wiring）和Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境（基于Processing）來(lái)實(shí)現(xiàn)的?；贏rduino的項(xiàng)目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運(yùn)行的軟件，他們之

8、間進(jìn)行通信（比如Flash,MaxMSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)。方案三STM32F103STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。該系列芯片按片內(nèi)Flash的大小可分為三大類(lèi)：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，12C，USB，UART，等多種功能通過(guò)比較我們選用了STM32F103作為內(nèi)部核心1.2稱(chēng)重傳感器：即非電量轉(zhuǎn)換成電量的轉(zhuǎn)換元件，對(duì)其要求是：輸出電量與輸入重量保持單值對(duì)應(yīng)，有良好的線性度，有較高的靈敏度，對(duì)被稱(chēng)物體的狀態(tài)影

9、響小，由于題目已給定，所以我們使用了電阻應(yīng)變片作為稱(chēng)重傳感器。1.3輸入與輸出模塊：通過(guò)屏幕觸摸，對(duì)將要處理的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去，最后單片機(jī)處理數(shù)據(jù)后通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示，對(duì)此我們?cè)O(shè)立了一下三個(gè)方案:方案一：使用晶碼管與獨(dú)立按鍵進(jìn)行結(jié)合，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是晶碼管與按鍵易磨損，以損害，且晶碼管顯示不是很清楚。方案二：使用普通顯示屏加獨(dú)立按鍵進(jìn)行結(jié)合，優(yōu)點(diǎn)是顯示更加的清楚，操作更加的簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是按鍵易損壞且觸摸屏容易磨損。方案三：使用了了分辨率為800 x480的RGB電容觸摸屏，優(yōu)點(diǎn)是像素高，顯示清晰，同時(shí)將輸入與輸出合為一體，即簡(jiǎn)化了電路，又減小了秤的體積，缺點(diǎn)是使用程序復(fù)雜，且價(jià)格略高。通過(guò)比較

10、，我們選用了方案三。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)顯示、算術(shù)計(jì)算器、觸摸屏輸入和電源等6個(gè)部分組成其設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。2.2簡(jiǎn)易電子秤工作原理測(cè)量部分是利用電阻應(yīng)變片式稱(chēng)重傳感器測(cè)量壓力信號(hào)，當(dāng)被稱(chēng)物體放置在秤體的秤臺(tái)上時(shí)，應(yīng)變片發(fā)生形變，傳感器隨之產(chǎn)生力-電效應(yīng)，將物體的重量轉(zhuǎn)換成與被稱(chēng)物體重量成一定函數(shù)關(guān)系（線性關(guān)系）的模擬電信號(hào)（電流或電壓）。此電信號(hào)一般比較微弱，經(jīng)過(guò)放大電路放大、濾波后再由模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，再送入CPU處理，CPU不斷掃描鍵盤(pán)和各種功能開(kāi)關(guān)，根據(jù)鍵盤(pán)輸入內(nèi)容和各種功能開(kāi)關(guān)的狀態(tài)進(jìn)行必要的判斷、分析，由儀表的軟件來(lái)控制

11、各種運(yùn)算，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為物體的實(shí)際重量信號(hào)。運(yùn)算結(jié)果送到內(nèi)存，需要顯示時(shí)，CPU發(fā)出命令，從內(nèi)存中讀出送到顯示器顯示。2.3四臂全橋放大電路的原理與計(jì)算當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開(kāi)路電壓當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng)ARR時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對(duì)稱(chēng)電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱(chēng)電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)稱(chēng)電橋，在實(shí)際使用中為了進(jìn)一步提高靈敏度

12、，常采用等臂電橋，四個(gè)被測(cè)信號(hào)接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱(chēng)的全橋工作形式其公式為：Uo=（V3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1控制部分電路控制部分選用內(nèi)部帶有512KB閃存的STM32F103ZET6單片機(jī)，如圖2所示，相比于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，STM32主頻高，外設(shè)豐富，有PWM、AD、DA這些常用外設(shè)，而51單片機(jī)速度較慢而且很多外設(shè)都要外接，用起來(lái)不方便。3.1.2傳感器模塊傳感方面我們使用了電阻應(yīng)變片，基本構(gòu)造如圖3所示，其測(cè)量原理為：金屬絲的電阻值除了與材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金屬絲的長(zhǎng)度，橫截面積有關(guān)。將金屬絲粘貼在構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，金屬絲的長(zhǎng)度和橫截面積也隨著構(gòu)件一起變化，進(jìn)而

13、發(fā)生電阻變化。當(dāng)電阻發(fā)生變化時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)處理電路處理后得出最后結(jié)果。圖3應(yīng)變片原理圖引線瞳酋屋基片Zi轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)化電路我們采用了A/D轉(zhuǎn)化電路中的HX711作為轉(zhuǎn)化電路，如圖4所示，HX711是一款專(zhuān)為高精度稱(chēng)重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)3.1.4降壓模塊降壓模塊我們采用了高效的LM2596降壓模

14、塊，如圖5所示，LM2596開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性?？烧{(diào)節(jié)輸出小于37V的各種電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開(kāi)關(guān)頻率為150KHZ,與低頻開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個(gè)外接器件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。UnraguniadKInput3.1.5顯示與輸入模塊數(shù)據(jù)顯示與輸入方面使用了分辨率為800 x480的RGB電容觸摸屏，如圖7所示，其核心芯片為FT4526，最多支持五點(diǎn)觸控，可通過(guò)屏上面顯示的模擬鍵盤(pán)對(duì)

15、數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入與計(jì)算，與傳統(tǒng)的按鍵和顯示屏相比，將顯示模塊與輸入模塊合并，簡(jiǎn)化了電子秤的模塊簡(jiǎn)單方便。3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.2.1程序工作原理的簡(jiǎn)介軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思想是充分利用單片機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重過(guò)程的一系列要求,提高系統(tǒng)的可靠性3。系統(tǒng)軟件由5個(gè)模塊構(gòu)成，分別是主程序模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、輸入模塊和顯示模塊。其中主程序模塊主要完成芯片初始化及按需要調(diào)用子程序;A/D轉(zhuǎn)換模塊主要完成在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，把傳感器傳遞過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳遞到單片機(jī)所涉及到的程序設(shè)計(jì)；數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊主要完成數(shù)制的轉(zhuǎn)換；通過(guò)觸摸屏來(lái)輸入信息，以確定去皮的大小及對(duì)稱(chēng)重物品金額的計(jì)算。顯示模

16、塊主要判斷是否需要顯示，以及如何去顯示。3.2.2主程序流程圖 是是否否主流程圖4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案全橋四臂電路輸出電壓的測(cè)試:實(shí)驗(yàn)開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)調(diào)零，用萬(wàn)用表測(cè)量得出電壓Uo=0。每次加不同重量的砝碼，用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電壓的變化。（2）過(guò)流保護(hù)測(cè)試：在開(kāi)關(guān)電源上串入滑線變阻器時(shí)充電電壓增加。判斷是否能在24V時(shí)停止充電。（3）將電路實(shí)際測(cè)量的值與軟件仿真結(jié)果進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生誤差的原因，改進(jìn)方案。4.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表。1g到1000g

17、的砝碼（兩套），計(jì)算器。4.3測(cè)試結(jié)果及分析4.3.1測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）測(cè)試一：直接測(cè)量電子秤上砝碼的重量，由液晶顯示屏讀取并記錄數(shù)據(jù)砝碼的實(shí)際質(zhì)量（g）50020010050100測(cè)量的結(jié)果（g）499.97200.0199.6549.9710.040.00測(cè)試二：功能測(cè)試，測(cè)量砝碼的重量后。通過(guò)顯示屏來(lái)設(shè)置物品的單價(jià)（例如2/克），然后稱(chēng)重，算出物品的總價(jià)格，再由液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)砝碼的實(shí)際質(zhì)量（g）50020010050100測(cè)量顯示的質(zhì)量（g）499.95200.06100.0349.9610.020.00液晶顯示的總價(jià)格（元）999.90400.02200.0699.9220.040.00測(cè)試三：功能測(cè)試，放上砝碼后顯示其重量，然后輸入去皮500克，由液晶顯示屏讀取并記錄數(shù)據(jù)：砝碼的實(shí)際質(zhì)量（g）50020010050100測(cè)量顯示的質(zhì)量（g）499.97200.02100.0150.0210.060.00“去皮”后的顯示0.000.000.000.000.000.004.3.2測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：1、本電子秤的精確度能達(dá)到題目的要求。2、本電子秤可以實(shí)現(xiàn)題目所要求的“設(shè)置單價(jià)”和“去皮”功能之外還附帶有計(jì)算器計(jì)算功能，且計(jì)算器計(jì)算無(wú)誤3、本系統(tǒng)能穩(wěn)定