基于电阻应变片式传感器的电子秤设计

1、 基于电阻应变片式传感器的电子秤设计摘要：给出了采用STM32F103ZET6单片机作为微控制器，结合电阻应变片式传感器、A/D转换器、开关、液晶触摸屏等部分设计的一种简易电子秤的实现方法，可以实现称重，称重后的金额计算以及多金额时金额的累加计算等功能，程序内部附带算术计算器。本电子秤具有体积小、成本低、精确度和可靠性高等特点。关键词：传感器；单片机；STM32F103ZET6；电子秤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系统方案41.1内部核心论证与选择41.2称重传感器的论证与选择41.3输入与输出模块的选择4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 系统理论分析与计算5系统总设计52.2简易电子秤工作原理52.3四臂全桥放大电路的原理分析与计算5电路与程序设计5电路的设计5 HYPERLINK l bookmark6 o Current Docume

4、nt 3.1.1控制部分电路63.1.2传感器模块6 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 3.1.3转化电路6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3.1.4降压模块7 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3.1.5显示与输入模块7程序的设计8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3.2.1程序工作原理的简介83.2.2主程序流程图8 HYPERLINK l bookmark16 o Current Doc

5、ument 测试方案与测试结果10 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 4.1测试方案10测试条件与仪器10测试结果及分析104.3.1测试结果（数据）104.3.2测试分析与结论10结语110引言称重装置目前已经普遍应用到国民经济的各个领域，并且对称重仪表的要求也越来越高，例如仪表要求具有更高的抗干扰能力和更高的精度1，早期电子秤一般是通过模拟电路来实现的，随着电子技术的发展和数字芯片价格的逐渐降低，模拟控制已经慢慢被数字控制替代，而电子秤设计的模式也大多转变为以处理器为核心的模式，其精度与可靠性也都有明显的提高。本文以电阻应变片为信号采集单元

6、、STM32F103ZET6单片机为核心，设计一款重量轻、计量准确、读数直观、操作方便的简易电子秤系统。1系统方案电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数或特征。其基本组成单元主要有以下三个：1.1内部核心：单片机是即是软件运行的中心，同时也是整个电路的“大脑”对此我们设立了三个方案对各种单片机进行比较:方案一STC89C52RC单片机STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备

7、的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。方案二Arduino单片机Arduin。能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序,编译成二进制文件，烧录进微控制器。对Arduino的编程是利用Arduino编程语言（基于Wiring）和Arduino开发环境（基于Processing）来实现的。基于Arduino的项目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上运行的软件，他们之

8、间进行通信（比如Flash,MaxMSP）来实现。方案三STM32F103STM32F1系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小可分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K、384K和512K）。芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，12C，USB，UART，等多种功能通过比较我们选用了STM32F103作为内部核心1.2称重传感器：即非电量转换成电量的转换元件，对其要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，有良好的线性度，有较高的灵敏度，对被称物体的状态影

9、响小，由于题目已给定，所以我们使用了电阻应变片作为称重传感器。1.3输入与输出模块：通过屏幕触摸，对将要处理的数据输入进去，最后单片机处理数据后通过显示屏进行显示，对此我们设立了一下三个方案:方案一：使用晶码管与独立按键进行结合，优点是价格便宜，缺点是晶码管与按键易磨损，以损害，且晶码管显示不是很清楚。方案二：使用普通显示屏加独立按键进行结合，优点是显示更加的清楚，操作更加的简单，缺点是按键易损坏且触摸屏容易磨损。方案三：使用了了分辨率为800 x480的RGB电容触摸屏，优点是像素高，显示清晰，同时将输入与输出合为一体，即简化了电路，又减小了秤的体积，缺点是使用程序复杂，且价格略高。通过比较

10、，我们选用了方案三。2系统理论分析与计算2.1系统总体设计本系统主要由控制、测量、数据显示、算术计算器、触摸屏输入和电源等6个部分组成其设计框图如图1所示。2.2简易电子秤工作原理测量部分是利用电阻应变片式称重传感器测量压力信号，当被称物体放置在秤体的秤台上时，应变片发生形变，传感器随之产生力-电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系（线性关系）的模拟电信号（电流或电压）。此电信号一般比较微弱，经过放大电路放大、滤波后再由模数（A/D）转换成为数字信号，再送入CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析，由仪表的软件来控制

11、各种运算，将数字信号转换为物体的实际重量信号。运算结果送到内存，需要显示时，CPU发出命令，从内存中读出送到显示器显示。2.3四臂全桥放大电路的原理与计算当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压当桥臂应变片的电阻发生变化时，电桥的输出电压也随着变化。当ARR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。还可以看出在桥臂电阻产生相同变化的情况下，等臂电桥以及输出对称电桥的输出电压要比电源对称电桥的输出电压大，即它们的灵敏度要高。因此在使用中多采用等臂电桥或输出对称电桥，在实际使用中为了进一步提高灵敏度

12、，常采用等臂电桥，四个被测信号接成两个差动对称的全桥工作形式其公式为：Uo=（V3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1控制部分电路控制部分选用内部带有512KB闪存的STM32F103ZET6单片机，如图2所示，相比于传统的51单片机，STM32主频高，外设丰富，有PWM、AD、DA这些常用外设，而51单片机速度较慢而且很多外设都要外接，用起来不方便。3.1.2传感器模块传感方面我们使用了电阻应变片，基本构造如图3所示，其测量原理为：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

13、发生电阻变化。当电阻发生变化时通过转化电路转化为电信号，通过处理电路处理后得出最后结果。图3应变片原理图引线瞳酋屋基片Zi转化电路转化电路我们采用了A/D转化电路中的HX711作为转化电路，如图4所示，HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的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3.1.4降压模块降压模块我们采用了高效的LM2596降压模

14、块，如图5所示，LM2596开关电源调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可调节输出小于37V的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHZ,与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接器件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。UnraguniadKInput3.1.5显示与输入模块数据显示与输入方面使用了分辨率为800 x480的RGB电容触摸屏，如图7所示，其核心芯片为FT4526，最多支持五点触控，可通过屏上面显示的模拟键盘对

15、数据进行输入与计算，与传统的按键和显示屏相比，将显示模块与输入模块合并，简化了电子秤的模块简单方便。3.2系统软件设计3.2.1程序工作原理的简介软件系统设计的基本思想是充分利用单片机控制的优势，实现称重过程的一系列要求,提高系统的可靠性3。系统软件由5个模块构成，分别是主程序模块、A/D转换模块、数据转换模块、输入模块和显示模块。其中主程序模块主要完成芯片初始化及按需要调用子程序;A/D转换模块主要完成在系统开始运行时，把传感器传递过来的模拟信号转换成数字信号并传递到单片机所涉及到的程序设计；数制转换模块主要完成数制的转换；通过触摸屏来输入信息，以确定去皮的大小及对称重物品金额的计算。显示模

16、块主要判断是否需要显示，以及如何去显示。3.2.2主程序流程图 是是否否主流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案全桥四臂电路输出电压的测试:实验开始对系统调零，用万用表测量得出电压Uo=0。每次加不同重量的砝码，用万用表测量输出电压的变化。（2）过流保护测试：在开关电源上串入滑线变阻器时充电电压增加。判断是否能在24V时停止充电。（3）将电路实际测量的值与软件仿真结果进行比较，分析产生误差的原因，改进方案。4.2测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，数字示波器，数字万用表。1g到1000g

17、的砝码（两套），计算器。4.3测试结果及分析4.3.1测试结果（数据）测试一：直接测量电子秤上砝码的重量，由液晶显示屏读取并记录数据砝码的实际质量（g）50020010050100测量的结果（g）499.97200.0199.6549.9710.040.00测试二：功能测试，测量砝码的重量后。通过显示屏来设置物品的单价（例如2/克），然后称重，算出物品的总价格，再由液晶显示屏显示数据砝码的实际质量（g）50020010050100测量显示的质量（g）499.95200.06100.0349.9610.020.00液晶显示的总价格（元）999.90400.02200.0699.9220.040.00测试三：功能测试，放上砝码后显示其重量，然后输入去皮500克，由液晶显示屏读取并记录数据：砝码的实际质量（g）50020010050100测量显示的质量（g）499.97200.02100.0150.0210.060.00“去皮”后的显示0.000.000.000.000.000.004.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、本电子秤的精确度能达到题目的要求。2、本电子秤可以实现题目所要求的“设置单价”和“去皮”功能之外还附带有计算器计算功能，且计算器计算无误3、本系统能稳定