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电子秤.docx
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电子秤
毕业设计报告
电子秤
学生姓名
XX
所在系
电子工程系
班级
专业
应用电子技术
指导教师
2016年11月1日
摘要
智能电子秤具有测量准确,测量速度快,易于实时测量和监控的优点,并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤,成为测量领域的主流产品。
随着微电子技术的应用,市场上使用的传统称重工具已经满足不了人们的要求。
为了改变传统称重工具在使用上存在的问题,在本设计中将智能化、自动化、人性化用在了电子秤重的控制系统中。
本系统主要由单片机来控制,测量物体重量部分由称重传感器及A/D转换器组成,加上显示单元,此电子秤俱备了功能多、性能价格比高、功耗低、系统设计简单、使用方便直观、速度快、测量准确、自动化程度高等特点。
电子秤是将检测与转换技术、计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合一体的现代新型称重仪器。
它与我们日常生活紧密结合成为一种方便、快捷、称量精确的工具,广泛应用于商业、工厂生厂、集贸市场、超市、大型商场、及零售业等公共场所的信息显示和重量计算。
本文主要介绍了以STC12C5A60S2单片机为控制器,利用电阻应变片做称重传感器,采用电子秤专用AD转换器件HX711进行模数转换的简易电子称的设计与实现。
该电子秤的称重范围为5.00g~500g,还可以根据需求设置单价,并计算物品金额;此外,还可以实现金额累加和去皮功能。
该电子秤通过了软硬件调试和功能验证,称重精度满足设计要求。
关键词:
电子秤;单片机;电阻应变片;HX711
第一章绪论
1.1电子秤概述
质量是测量领域中的一个重要参数,称重技术自古以来就被人们所重视。
秤是最普遍、最普及的计量设备。
自50年代中期电子技术渗入到衡器的辅助测量装置,60年代初期出现机电结合式电子衡器以来,经过40多年的不断改进与完善,电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字化智能型。
由于它具有称量准确、快速,读数方便,环境适应性强,便于与电子计算机结合而实现称重计苗与过程控制自动化等特点,在工商贸易、能源交通、冶金矿山、轻工食品、医药卫生、航空航天等部门得到广泛的应用。
近年来,随着计算机和称重传感器技术的迅速发展,现代科学技术的相互渗透,电子称重技术及应用又有了新发展。
称重技术从静态称重向动态称重发展;计量方法从模拟测量向数字测量发展;测量特点从单参数测量向多参数测量发展特别是对快速称重和动态称重的研究与应用,已为世界各国所关注。
可以说电子称重技术的发展水平,已成为衡量一个国家科学技术水平和工业发达程度的重要标志之一。
电子秤不但能精确的秤出商品的重量,还能去除皮重,累计所秤物品的重量,设定物品单价并快速计算出金额;作为重量测量仪器,智能电子秤在各行各业开始显现其测量准确,测量速度快,易于实时测量和监控的巨大优点,并开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤,成为测量领域的主流产品。
为了满足电子秤的设计要求,本次设计结合题目设计要求和现实生活中的应用需要进行分析。
广泛查阅资料,综合产品性能、稳定性、性价比等内容,对比当前电子秤的主流设计方案,从称重传感器的选型与制作,控制器选型,系统软硬件设计与制作等方面入手,设计、制作了一款简易、实用的电子秤。
1.2设计内容
1.2.1设计任务
设计并制作一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤,电子秤的结构如图1-1所示。
铁质悬臂梁固定在支架上,支架高度不大于40cm,支架及秤盘的形状与材质不限。
悬臂梁上粘贴电阻应变片作为称重传感器。
图1-1电子秤
1.2.2设计要求
1.电子秤可以数字显示被称物体的重量,单位克(g);
2.电子秤称重范围5.00g~500g;重量小于50g,称重误差小于0.5g;重量在50g及以上,称重误差小于1g;
3.电子秤可以设置单价(元/克),可计算物品金额并实现金额累加;
4.电子秤具有去皮功能,去皮范围不超过100g;
5.其他。
第二章方案选择和设计
2.1方案论证
方案一:
基于FPGA的电子秤
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高。
由于其集成度高,使其成本偏高,同时其芯片引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。
基于FPGA的电子秤框图如图2-1所示。
图2-1基于FPGA的电子秤框图
方案二:
基于单片机和高精度称重AD转换芯片的电子秤
该方案采用8位单片机STC12C5A60S2作为控制核心,配合电子秤专用的24位高精度AD转换芯片,以较简洁、可靠的方式实现电子秤的功能。
HX711是一款专为电子秤而设计A/D转换器芯片与同类型其它芯片相比,该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单,所有控制信号由管脚驱动,无需对芯片内部的寄存器编程。
且内部自带最高增益可达到128倍的低噪声可编程放大器。
该芯片具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。
降低了电子秤的整机成本,提高了整机的性能和可靠性。
其总体框图如图2-2所示。
图2-2基于单片机和专用AD转换芯片的电子秤框图
方案三:
基于ARM和仪表放大器的电子秤
采用ARM和仪表放大器实现电子秤的功能,如ARM7芯片LPC2148。
该芯片具有512K flash程序存储空间、主频达48M、三个定时器、四个外部中断、内部RTC、采用三级流水线模式运行程序,拥有I2C、SPI、UART等通信接口。
同时其芯片引脚也较多,不便控制。
而且ARM和仪表放大器的价格也较贵,在本次设计中性价比不够高。
其总体框图如图2-3所示。
时钟电路
传感器
复位电路
信号放大
蜂鸣器
ARM
矩阵键盘
LED显示
图2-3基于ARM和仪表放大器的电子秤框图
2.2方案选择
从功能实现的角度来看,本系统可以采取STC12C5A60S2、FPGA、ARM三种控制器。
ARM和FPGA比STC12C5A60S2单片机具有更强大的控制功能、更快的运行速度,可更快捷地进行高精度的测量,但本设计运行速度要求不高,STC12C5A60S2就能满足所需要的功能。
而且方案二的性价比高于其他两个方案,因此,综合产品稳定性和性价比等综合因素,考虑选择方案二。
2.3系统设计思路
按照设计的基本要求,系统可以分为最小系统、数据采集、人机交互界面三大部分。
其中数据采集模块是由称重传感器(电阻应变片)组成,由于单片机自带a/d转换功能,也可以外接a/d然后将采集的模拟信号放大直接送给控制器处理,由控制器完成对该数字的处理,驱动显示模块完成人机交互的信息传递。
此部分对软件的设计要求较高,系统的绝大部分需要软件来控制。
结合设计要求,本次所设计的电子秤的应用系统是由硬件和软件所组成。
硬件指单片机、扩展的输入输出设备等部分;软件与硬件相辅相成。
系统总设计框图如图2-4所示。
在测量压力时,把外界压力信号通过传感器转换成电压信号,该电压信号经过放大处理后,再经过模数转换器把模拟量转换成数字量,然后将数字量送单片机进行数据处理,并送LCD显示器显示测量结果。
图2-4系统框图
2.4硬件电路设计
2.4.1电阻应变片
电阻应变片如图2-5,是用于测量应变的元件。
它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。
它是由直径为0.02~0.05mm的康铜丝或者镍铬丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)夹在两层绝缘薄片(基底)中制成,用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线,用来连接测量导线。
图2-5电阻应变片
电阻应变片的测量原理为:
金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外,还与金属丝的长度,横截面积有关。
将金属丝粘贴在构件上,当构件受力变形时,金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化,进而发生电阻变化。
公式(2-1)所示:
dR/R=Ks*ε(2-1)
其中,Ks为材料的灵敏系数,其物理意义是单位应变的电阻变化率,标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。
ε为测点处应变,为无量纲的量,但习惯上仍给以单位微应变,常用符号με表示。
由此可知,金属丝在产生应变效应时,应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系,这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。
2.4.2测量电路
电阻应变式传感器就是将被测物的物理变化转换为电阻的组织变化,再经相应的测量电路而最后显示或记录被测值的变化。
导体或半导体在外界作用下产生机械形变时,其阻值将发生相应的变化,这种现象称为“应变效应”。
根据应变效应将应变片粘贴于被测材料上,使其在受到外界应力作用时,引起应变片的变形,并使其阻值发生变化。
通过测量全桥电路将应变片阻值的变化转换成电压的输出,就可确定被测材料机械量的变化。
根据传感器理论可知,设长为L、横截面积为S、电阻率为ρ的电阻丝,已知其阻值为:
R=(ρL/S),当电阻丝两端有机械应力F时,ρ、L、S都会发生变化,从而导致电阻发生变化。
其金属丝的应变灵敏系数K=1+2u+c(1-2u)比例系数u为松柏比,c为金属晶格结构的比例系数,一般在-12(镍)~+6(铂)范围。
在弹性范围内,k决定于u和比例系数c。
在塑性形变范围内,因u=0.5,所以K=2。
信号采集的全桥测量电路如图2-6所示。
图2-6全桥测量电路
当R1=R2=R3=R4时无论输入电压为多大输出都为0且△R1=△R2=△R3=△R4,则当应变片受到力的作用时,其输出电压公式为(2-2)所示:
2.4.3信号处理与AD转换电路
经由传感器或敏感元件转换后输出的信号比较微弱,经由电桥等电路转换后的信号也难以直接用来显示、记录、控制或进行AD转换。
为此,测量电路中常设有模拟放大部分。
这一部分主要用于集成放大器等基本原件构成的各种特性放大器来完成。
当然本设计采用的是称重专用a/d里面自带可编程增益控制的HX711。
HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。
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、抗干扰性强等优点。
降低了电子秤的整机成本,提高了整机的性能和可靠性。
该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单,所有控制信号由管脚驱动,无需对芯片内部的寄存器编程。
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。
芯片内的时钟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。
HX711引脚图为2-7所示。
图2-7HX711引脚图
其引脚功能为表2-1所示。
表2-1HX711引脚功能表
管脚号
名称
性能
描述
1
VSUP
电源
稳压电路供电电源2.6~5.5v
2
BASE
模拟输出
稳压电路控制输出
3
AVDD
电源
模拟电源2.6~5.5v
4
VFB
模拟输入
稳压电路控制输入
5
AGND
地
模拟地
6
VBG
模拟输出
参考电源输出
7
INNA
模拟输入
通道A负输入端
8
INPA
模拟输入
通道A正输入端
9
DVDD
电源
数字电源2.6~5.5v
10
RATE
数字输入
输出数据速率控制0:
10hz
11
XI
数字输入
外部时钟晶振:
片内振荡器
12
XO
数字输入输出
晶振输入
13
DOUT
数字输出
串口数据输出
14
PD_SCK
数字输入
断电控制
15
INPB
模拟输入
通道B正输入端
16
INNB
模拟输入
通道B负输入端
基于HX711的信号处理与AD转换电路的电路图如图2-8所示。
图2-8信号处理与AD转换电路电路图
1模拟输入
通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。
由于桥式传感器输出的信号较小,为了充分利用A/D转换器的输入动态范围,该通道的可编程增益较大,为128或64。
这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。
通道B为固定的32增益,所对应的满量程差分输入电压为±80mV。
通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。
我选用通道A的128增益。
2供电电源
数字电源(DVDD)应使用与MCU芯片相同的的数字供电电源。
HX711芯片内的稳压电路可同时向A/D转换器和外部传感器提供模拟电源。
稳压电源的供电电压(VSUP)可与数字电源(DVDD)相同。
稳压电源的输出电压值(VAVDD)由外部分压电阻R1、R3和芯片的输出参考电压VBG决定(图1),VAVDD=VBG(R1+R3)/R3。
VBG=1.265V,应选择该输出电压比稳压电源的输入电压(VSUP)低至少100mV。
如果不使用芯片内的稳压电路,管脚VSUP和管脚AVDD应相连,并接到电压为2.6~5.5V的低噪声模拟电源。
管脚VBG上不需要外接电容,管脚VFB应接地,管脚BASE为无连接。
其中电路中电容C4、C3是用来滤除高频信号干扰,一般用0.1uF;C1、C2对电路起稳定、缓冲作用,一般用大电容,10uF就可以了。
3时钟选择
如果将管脚XI接地,HX711将自动选择使用内部时钟振荡器,并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。
这种情况下,典型输出数据速率为10Hz或80Hz。
如果需要准确的输出数据速率,可将外部输入时钟通过一个20pF的隔直电容连接到XI管脚上,或将晶振连接到XI和XO管脚上。
这种情况下,芯片内的时钟振荡器电路会自动关闭,晶振时钟或外部输入时钟电路被采用。
此时,若晶振频率为11.0592MHz,输出数据速率为准确的10Hz或80Hz。
输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。
使用外部输入时钟时,外部时钟信号不一定需要为方波。
可将MCU芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF的隔直电容连接到XI管脚上,作为外部时钟输入。
外部时钟输入信号的幅值可低至150mV。
我用的是芯片内部时钟,输出数据速率选用10Hz。
2.4.4主控制器的最小系统
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度比传统8051快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),内部还自带高达60KFLASHROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
而且STC系列单片机支持串口程序烧写。
显而易见,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密,这又很好地保护了你的劳动成果。
stc12C5a60s2内部原理图如图2-9所示。
图2-9stc12C5a60s2内部原理图
STC12C5a60s2的最小系统与传统的8051类似,整个最小系统也是由复位电路、时钟电路等构成。
具体内容如图2-10所示。
图2-10stc12C5a60s2最小系统
1.电源
我们所选用的STC12C5a60s2,它需要5V的供电系统,我们的最小系统是使用USB口输出的5V直流直接供电的。
从图2-10可以看到,供电电路在40脚和20脚的位置上,40脚接的是+5V,通常也称为VCC或VDD,代表的是电源正极,20脚接的是GND,代表的是电源的负极。
+5V和GND之间还有个电容,大小为0.1uF,主要是用来滤除高频信号干扰。
2.晶振
晶振,又叫晶体振荡器,从这个名字我们就可以看出来,它注定一生都要不停振荡的。
它起到的作用是为单片机系统提供基准时钟信号,单片机内部所有的工作都是以这个时钟信号为步调基准来进行工作的。
STC12C5a60s2单片机的18脚和19脚是晶振引脚,我们接了一个11.0592MHz的晶振(它每秒钟振荡11,059,200次),外加两个20pF的电容,电容的作用是帮助晶振起振,并维持振荡信号的稳定。
无源晶振两侧通常都会有个电容,一般其容值都选在10pF~40pF之间,如果手册中有具体电容大小的要求则要根据要求来选电容,如果手册没有要求,我们用20pF就是比较好的选择,这是一个长久以来的经验值,具有极其普遍的适用性。
3.复位电路
按键复位(即手动复位)有2个过程,按下按键之前,RST的电压是0V,当按下按键后电路导通,同时电容也会在瞬间进行放电,RST电压值变化为4700VCC/(4700+18),会处于高电平复位状态。
当松开按键后就和上电复位类似了,先是电容充电,后电流逐渐减小直到RST电压变0V的过程。
按下按键的瞬间,电容两端的5V电压(注意不是电源的5V和GND之间)会被直接接通,此刻会有一个瞬间的大电流冲击,会在局部范围内产生电磁干扰,为了抑制这个大电流所引起的干扰,我们这里在电容放电回路中串入一个18欧的电阻来限流。
图2-11复位电路
2.4.5显示模块电路
128X64LCD是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。
其只需要按照要求供电,然后各数据与信号引脚可直接与单片机I/O口相连,电路结构简单。
其与单片机的接口电路如图2-12所示。
图2-12LCD接口电路
2.4.6按键控制电路
矩阵式结构的键盘电路的列线通过电阻接正电源,并将行线接到单片机的I/O作为输出端,而列线所接的I/O则作为输入。
这样,当按键没有按下时,所有的输入端都是高电平,代表无键按下。
行线输出是低电平,一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
按键控制电路如图2-13所示。
其中R1、R2、R3、R4是上拉电阻,拉高电位。
图2-13按键控制电路
键盘各按键功能分布如表2-2所示。
表2-2键盘功能
0
重量清零
累加
单价清零
1
2
3
去皮
4
5
6
去锁
7
8
9
锁定
2.5软件程序设计
2.5.1主程序设计
系统整个软件采用模块化设计,由主程序、a/d采集子程序、置零子程序、ad转kg子程序、液晶显示子程序、按键扫描子程序及按键处理子程序等模块组成。
系统软件主要完成数据采集、数据转换、去皮、累加、置零以及重量、单价、总计等显示功能。
系统主流程流程图如图2-14所示。
图2-14系统主流程流程图
2.5.2AD转换子程序设计
HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。
其通信方式是串口通信。
串口通讯线由管脚PD_SCK和DOUT组成,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,如图2-15和表2-4所示。
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,参见表2-3。
输入通道和增益选择。
PD_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。
表2-3输入通道和增益选择
图2-15HX711数据输出,输入通道和增益选择时序图
表2-3Tn说明
根据HX711的工作时序图和AD转换原理,分析出HX711的AD转换程序控制流程图如图2-16所示。
图2-16AD转换程序控制流程图
2.5.3数据处理子程序
数据处理子程序的主要功能是根据电阻应变片传感器在因受到外力而产生形变是输出的电压与所受力的关系(即施加力的物体的质量)所存在的线性关系,将AD转换的数字量换算成物体的质量,其控制流程图如图2-17所示。
图2-17数据处理流程图
gi为放上被称物体后的重量;g(i-1)为未放上被称物体的重量;
Δg为放上被称物体后重量的变化量;xi为放上被称物体后AD对应数组上的值;x(i-1)为未放上被称物体AD对应数组上的值;Δx为放上被称物体后对应数组的变化量。
第三章调试与测试
3.1硬件检测
3.1.1通电前检测
连线是否正确。
按照电路图检查安装的线路,根据电路连线,按照一定的顺序逐一检查安装好的线路。
3.1.2元器件安装情况
电源接口是否有短路现象;元器件引脚之间是否有短路,连接处有无接触不良;二极管、三极管、集成器件和电解电容极性等是否连接有误。
3.1.3通电检测
通电后不要急于测量电气指标,而要观察电路有无异常现象,例如有无冒烟现象,有无异常气味,手摸集成电路外封装,是否发烫等。
如果出现异常现象,应立即关断电源,待排除故障后再通电下载并调试程序。
3.2程序调试
1上电下载程序后,发现没放砝码,液晶屏上显示不为零的常数。
经过仔细检查程序,发现程序有误,程序中有几个数字弄错了,经过调试,液晶屏上显示为0。
2调整好程序后,再下载,根据液晶屏不断修改程序,直到达到要求为止。
3调试好程序后,开始设计布线、布局等。
3.3系统测试及结果分析
根据本次设计要求,使用标准砝码对电子秤进行系统测试,测试结果如表3-1所示。
表3-1电子秤测试数据
标称值(g)
测量值(g)
误差(g)
标称值(g)
测量值(g)
误差(g)
5
4.7
0.3
90
90.3
0.7
10
9.8
0.2
100
99.6
0.4
20
19.6
0.4
150
149.5
0.5
30
39.8
0.2
200
199.2
0.8
40
39.9
0.1
250
249.6
0.4
50
49.7
0.3
300
299
1
60
59.6
0.4
400
399.2
0.8
80
79.8
0.2
500
499
1
从上表测试数据可知,该电子秤在测量5-50g的重物时,误差精度为0.25;在测量50-500g的重物时,误差精度为0.62;可见本次设计结果满足设计要求。
总结
本设计实现以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤,电子秤能够测量5-500g的重物,并可实现去皮功能,基本实现了设计指标的要求;除此之外,该模块还可以实现手动设置单价,金额累加等功能。
由于理论知识不够广泛,基础不够扎实,在设计过程中,团队也遭遇了不少困难,主要体现为:
1.调试时发现液晶屏不亮,通过查找分析,发现其中有几个引脚没有接电源;
2.AD转换器数据没传输出来,发现引脚接错;
3.由于我们对电阻应变片不熟悉先用了一片测试,结果很失败,完全测不到数据,然后用2片测试,来数据了,但不明显。
4.初始设计的双孔横梁臂太厚,应变不明显,无法准确测试数据,后经多次讨论,又将横梁臂更改为三角形的铁片,降低了横梁臂的厚度,才能够有效地检测到应变。
5.在称重调试中,液晶屏上的数据在不断地变化;我们决定对其取10个数,取其平均值。
6、系统容易受外界环境影响,抗干扰能力还有待提升。
本次设计的系统虽然基本实现了题目要求的功能,在精度和稳定性上还有很大的提升空间。
后续还可以从完善软件设计,完善硬件电路的精确度设计,提高硬件抗干扰性等方面入手,优化本次设计。
致谢
本论文在XX导师的悉心指导下完成的。
导师渊博的专业知识、严谨的治
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