第第某單片機(jī)電子秤的硬件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u20420某單片機(jī)電子秤的硬件設(shè)計案例 1198481.1稱重傳感器 1143401.1.1選擇稱重傳感器時的問題 259231.1.2稱重傳感器的基本結(jié)構(gòu) 3631.2傳感器原理 3191891.1.1傳感器的彈性元件 4195591.3單片機(jī)系統(tǒng) 421141.4電路設(shè)計 695451.4.1電子秤的調(diào)零電路 6268441.4.2電子秤的數(shù)據(jù)采集和處理部分 6268471.4.3OLED顯示器 8電子秤的測量方法與原理:一個傳感器的彈性體因為對稱量物體重量而產(chǎn)生的形變,傳感器就會產(chǎn)生一個叫做電信號,這個叫做電信號和它的重量之間呈正比例函數(shù),然后經(jīng)過一個輸入信號的放大,再由一個輸入信號的轉(zhuǎn)換器改變成一個頻率的信號,由微處理器接收到這個信號,通過一個微機(jī)對它進(jìn)行處理后,和微機(jī)相互連接的各個接口一起連接著進(jìn)行應(yīng)用,最后由一個顯示屏幕通過數(shù)字顯示。稱重傳感器、放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)部分、鍵盤/啟動器、OLED顯示器等組成部分就是這款電子秤的一個硬件組成部分。該儀器的結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計如下圖2-1。圖2-1智能電子秤結(jié)構(gòu)框圖1.1稱重傳感器在整個電子秤中,傳感器是非常關(guān)鍵的部分,也是設(shè)計中最難的一部分,傳感器的好壞直接決定了電子稱的性能。經(jīng)過新時代后我國各方面都得到了飛躍式發(fā)展,特別是微機(jī)技術(shù)和民生經(jīng)濟(jì)都有了非常大的進(jìn)步。電子秤最重要的部分是傳感器,所以稱重傳感器關(guān)系著整個稱重控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1.1.1選擇稱重傳感器時的問題不同化境對稱重傳感器的要求不同,在選擇稱重傳感器時應(yīng)著重考慮以下方面:一、選擇傳感器的精度性價比的選擇是否適宜、實用以及傳感器的量程,是否能夠符合稱量系統(tǒng)的要求等各個方面都需要充分考慮得到,從而正確選擇傳感器精度和等級。彈性結(jié)構(gòu)和是不確定存在著線性的補(bǔ)償直接影響到了傳感器工作的準(zhǔn)確性。有的彈性物體結(jié)構(gòu)雖然自然線性不高,但在受到?jīng)_擊、密封這些地方有著超高的優(yōu)勢,所以比較適合在對傳感器的精度沒有太高要求、環(huán)境較差的地方工作,也就是也就是有復(fù)現(xiàn)性、可靠性的傳感器。二、選擇傳感器的量程在選擇傳感器的量程時主要考慮以下幾個因素:1、被稱重物料上限重量值；2、秤臺或者裝置的自身重量；3、設(shè)置的傳感器數(shù)量；4、最大偏差值；5、在稱量時會有的動載、沖擊等和以及其他的干擾因素。三、選擇傳感器的技術(shù)參數(shù)選擇傳感器的技術(shù)參數(shù):1、誤差值等技術(shù)參數(shù)通過系統(tǒng)的具體要求來選擇；2、傳感器輸出的靈敏值必須符合規(guī)定；3、依據(jù)系統(tǒng)的具體要求來確定橋路阻抗和激勵電壓等參數(shù)及特性等。四、選擇傳感器的密封狀態(tài)對于稱重式傳感器而言,在一個彈性體順利地完成了貼片式組橋補(bǔ)償工作之后,就可能會使得材料和機(jī)械部件遭到周圍環(huán)境中濕氣的腐蝕。在實際工作時,若不能實施嚴(yán)格的密封外罩,會被周圍環(huán)境中可能存在的一些有害氣體以及水、粉塵等造成的傷害,因此當(dāng)這些傳感器正常工作時,添加一些防護(hù)外罩也是非常必要的。1.1.2稱重傳感器的基本結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的稱重傳感器的結(jié)構(gòu)基本上可以分為劃分出來形成以下幾個類型,它們每一種都各自具有不同的特征,每種傳感器都具備自己所相應(yīng)的稱量區(qū)域范圍與性能,這種優(yōu)勢與特點給我們的選型工作帶來了便利。一、柱式傳感器最早的傳感器的結(jié)構(gòu)形式就是柱式設(shè)計,柱式傳感器可以稱量幾十噸甚至幾百噸的貨物,不過隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步就逐漸被淘汰了,所以就不過多介紹了。二、橋式傳感器其實橋式結(jié)構(gòu)的傳感器就是另換了一個名字的雙梁式結(jié)構(gòu)的傳感器,因為它的彈性體比較像橋,所以在國內(nèi)把它稱為橋式傳感器。橋式傳感器的優(yōu)點:量程比較大、結(jié)構(gòu)合理、加工方便等。三、S形雙連孔式傳感器雙連接的彈性體轉(zhuǎn)換元件通常用于量程不是特別大的稱重傳感器。當(dāng)沒有線性補(bǔ)償時，傳感器精度在0.02~0.05范圍內(nèi)。其抗偏性和抗側(cè)方能力相對優(yōu)秀。常用的是料斗秤和皮帶秤。根據(jù)我國電子秤各個方面的特點和需要,本項目把一種橋式結(jié)構(gòu)的傳感器產(chǎn)品作為設(shè)計核心,其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2橋式式傳感器的結(jié)構(gòu)。1.2傳感器原理稱重傳感器可分為電阻應(yīng)變式、差動變壓器式、電容式等幾種常見類型。應(yīng)變片式傳感器的主要工作原理:一個彈性元件因為被稱重而對物品的體積發(fā)生了形變,然后在這個時候,一個位于彈性元件上的電阻應(yīng)變片就會把其形變成一個阻值的改變。電阻應(yīng)變式稱重傳感器功能更全面，結(jié)構(gòu)簡單，體積適宜;直線性、重復(fù)性、可靠性、穩(wěn)定性等方面都比一般的優(yōu)秀;還可拉、壓兩種;而且比一般的壽命長,維護(hù)方便;還可以用作動態(tài)測量。1.1.1傳感器的彈性元件一、彈性元件的結(jié)構(gòu)形式傳感片敏感元件主要是由各種可以直接反映物理和應(yīng)變情況的材料組成,但是由于它們所受到的工作條件和環(huán)境、安裝時所占用空間的大小、如何承受到的壓力、量程度大小、靈敏值等因素影響,對于傳感器精度要求、應(yīng)變片體積的大小等多種影響,所以被稱為環(huán)式、膜或者是梁式等結(jié)構(gòu)使用比較多。二、彈性元件尺寸的選擇彈性元件大小和尺寸的確定必須首先要嚴(yán)格遵守一些規(guī)范:被黏著的電阻應(yīng)變片在彈性元件的橫截面上所發(fā)生的形變都必須是單一并且均勻的,通過被黏著的應(yīng)變片所反映出來的各種應(yīng)變信號和被黏著的測量結(jié)果所顯示出來的各種參數(shù)都是呈現(xiàn)線性曲線;受力或者變形時的彈性零部件必須具備自我恢復(fù)的能力及其穩(wěn)定性;而且彈性元器件應(yīng)當(dāng)具備較高的抗側(cè)向能力。圖2-3稱重傳感器實物圖1.3單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)比較一般的微型機(jī)的優(yōu)勢:一、集成度高、體積小單片機(jī)的一塊芯片基本上就是包含了處理器、只讀存儲器、閱讀存儲器和I/O接口等多種微機(jī)的部分,單片機(jī)的芯片應(yīng)用非常廣泛,很多領(lǐng)域都離不開這些芯片的功能,單片機(jī)的集成程序精度高,體積小可以滿足各個領(lǐng)域硬件的要求,所以一般做出來的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也都不復(fù)雜。二、面向控制、功能強(qiáng)單片機(jī)的主要作用是控制,它有很強(qiáng)的實時控制能力,I/O接口可以直接被CPU控制,進(jìn)而執(zhí)行各種操作,可以非常精準(zhǔn)的完成各類控制工作。三、抗干擾能力強(qiáng)單片機(jī)芯片內(nèi)部一般是CPU存儲器和接口的信息傳輸線,所以一般不受外界的干擾;還有一種體積小的單片機(jī)，可以承受高溫等工作，即使工作環(huán)境不夠適宜，也能順利完成工作，所以單片機(jī)具有非常高的可靠性和性能。四、使用方便由于單片機(jī)的軟件部分功能比較全面,沒有復(fù)雜的系統(tǒng)擴(kuò)展方式,所以即使單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計能力并不高超也是可以擁有較高的完成度,而且現(xiàn)在國際上有多種多樣的工具去對單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計,軟件調(diào)試功能和一些輔助性軟件設(shè)計的工具和方法都增加了,大大縮短了開發(fā)時間和周期,使成本得到了大幅度的降低。因為這些特性，使得科研成果很快轉(zhuǎn)化成了主要生產(chǎn)力,使研發(fā)過渡階段大大縮短。圖2-4STM32F103C8T6單片機(jī)實物圖圖2-5STM32F103C8T6單片機(jī)原理圖1.4電路設(shè)計硬件電路的質(zhì)量是影響測試儀器質(zhì)量和性能的重要方面。便攜式智能儀器主要的特點之一就是輕巧、簡單、低功耗、高成本,使用了集成化的芯片,對于一起來說電路系統(tǒng)的規(guī)模越小越好,更能體現(xiàn)出智能儀器的優(yōu)勢。本節(jié)主要對電子秤的一些關(guān)鍵單元的電路進(jìn)行了一些簡要的介紹。1.4.1電子秤的調(diào)零電路調(diào)零控制電路就是對于一臺電子秤的一種自動角度調(diào)節(jié)控制電路,一般來說,傳感器可能會在其中直接產(chǎn)生一個或幾個零點的信號輸出控制信號,而且每當(dāng)電子秤本身的載重量較大時也可能會直接導(dǎo)致一個傳感器在其中只能產(chǎn)生一個零點信號,而這些輸出信號對系統(tǒng)并沒有積極作用,調(diào)零電路就是為了抵消掉這些無用的輸出信號而設(shè)計出來的。大功率電阻器、滑動高壓變阻傳感器器和高壓直流電源器等是自動調(diào)零控制電路的主要組成元件。如電路圖2-6所示,工作時將兩個串口連接到電路輸出和輸入測量兩個儀表之間。圖2-6調(diào)零電橋及其接法在不稱重時如果有輸出電壓U01的話,就可以通過可變電阻Rb來控制電橋的電阻,使輸出電壓UO2發(fā)生改變,讓其和輸出電壓U01相互抵消掉,這樣總的輸出電壓就一直處于0的狀態(tài)。這就是調(diào)零電路的具體操作。1.4.2電子秤的數(shù)據(jù)采集和處理部分一、A/D轉(zhuǎn)換器經(jīng)過對傳感器的分析可以得出:A/D轉(zhuǎn)換器的誤差不能高于0.03%。12位A/D精度:15kg/4096=3.6g14位A/D精度:15kg/16384=0.92g因為其他因素的影響,我們會發(fā)現(xiàn)12位的A/D的精度不夠,所以只能選擇更高的精度。在各式各樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中各自都有其側(cè)重,HX711型A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的側(cè)重點就是輸入精度,準(zhǔn)確性很高勢必需要舍棄部分,所以它的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度比較慢,差分輸入的精確度高,低輸入阻抗,而且調(diào)零是自動的,當(dāng)超過最大量程的時候會有輸出信號,與TTL電平不會發(fā)生沖突。HX711A/D轉(zhuǎn)換器是一款專為電子秤設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，具有很高的精度。與其他同類型的芯片相比，HX711芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類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。HX711轉(zhuǎn)換器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。芯片和后端MCU芯片之間的接口和編程非常簡單。所有控制信號均由引腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程。輸入選擇器開關(guān)可以隨意選擇通道A或通道B，并將其連接到其內(nèi)部低噪聲可編程放大器。通道A的可編程增益為128或64，對應(yīng)的全線差分輸入信號幅度分別為20mV或40mV。通道B是用于系統(tǒng)參數(shù)檢測的固定32增益。芯片中提供的穩(wěn)壓電源可以直接為外部傳感器和芯片中的/D轉(zhuǎn)換器提供電源，并且在系統(tǒng)板上不需要額外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上