简易电子称设计报告

简易电子称设计报告摘要本简易电子秤由数据采集、控制器和人机交互界面三部分构成。其中数据采集部分由测量电路、差动放大电路与电压采集电路组成；测量电路采用4片电阻应变片组成的全桥电路。差动放大把传感器输出的微弱模拟信号放大275倍，以满足A/D转换器对输入信号电平的要求；A/D转换器把模拟信号转变成数字信号，控制器把数字信号输送到显示电路中去。控制器选用IAP15F2K61S2单片机，用按键来选择、确定功能，最后所有结果由OLED进行显示。电子秤自带电源，并具有称重、设置单价、金额累计、去皮、超量程报警与语音播报等功能。当电子秤称重范围为5.00g~500g。当重量小于50g时，称重误差小于0.5g；重量在50g及以上，称重误差小于1g。整个系统稳定，界面友好，转换精度高，人性化。关键词：电子秤传感器A/D控制器目录第1章方案比较论证与选择11.1整体设计思路11.2数据采集部分1测量电路1放大电路2电压采集电路21.3控制器部分21.4人机交互界面3按键3显示界面31.5系统设计框图4第2章系统模块电路设计42.1数据采集部分4测量电路4放大电路5电压采集电路62.2控制器部分72.3人机交互界面7按键7显示界面72.4其他8系统电源8语音播报部分8固件升级接口8第3章系统软件设计93.1软件设计工具与平台93.2软件设计思想93.3软件设计流程图10第4章系统调试与测试104.1调试与测试所用仪器104.2调试过程104.3测试过程114.4测试结果134.5结果分析13第5章设计总结14参考文献14附录15第1章方案比较论证与选择1.1整体设计思路此设计分为数据采集部分、控制器部分和人机交互界面三部分。从整体上看，数据采集部分由测量电路、放大电路和电压采集电路三大部分组成。测量电路即在悬梁臂上使用电阻应变片构成全桥电路。当有物体称重时，悬梁臂发生变形，然后由电阻应变片将此变形转化为电阻的变化，再通过全桥电路将电阻的变化转换成电压信号输出。输出电压经过放大电路后被采集，通过A/D转换电路把电压转换成数字信号。控制器部分则是通过单片机把A/D电路转换出来的数字信号传送到显示电路，由OLED显示出来。人机交互界面分为按键部分与显示界面部分。我们可以通过按键来选择相应的功能，比如单价的加减、价钱的累计等。最后，所有结果都由OLED显示出来。1.2数据采集部分测量电路测量电路需要测得机械臂的形变，以此来计算物体的重量，所以我们选择用电阻应变式传感器。电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部形变转化为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的形变，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换为电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换为电压或电流变化信号输出。为了得到电压变化信号的输出，我们采用电桥电路作为测量电路。方案一：测量电路使用单臂电路，如图1-1（a）所示。方案二：测量电路使用半桥电路，如图1-1（b）所示。方案三：测量电路使用全桥电路，如图1-1（c）所示。图1-1应变片测试电路方案论证与选择:由计算可得:单臂中;半桥中;全桥中（K为灵敏度系数、ε为电阻丝长度相对变化）。由此可看出单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；半桥输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因为，为了得到较大输出电压信号我们采用方案三。放大电路方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。方案二：直接利用HX711模块，可把输出电压放大到32～128倍。方案三：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大电路。方案论证与选择：方案一中普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。方案二只能把电压放大到128倍，而这里的设计需要根据应变片的应变大小来调节放大倍数，如我们需要把电压放大275倍左右，所以不采用方案二。方案三中差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，我们可以把电路先放大11倍，再放大5倍，最后再放大5倍，从而达到要求。因此选择方案三，该方案成本低，直接使用实验室常规元件实现，放大倍数可以根据悬臂梁上应变片的实际应变情况进行调节，设计灵活。电压采集电路方案一：利用HX711高精度24位A/D转换器芯片方案二：利用ADC0832芯片。方案三：利用ADS1286芯片。方案论证与选择：方案一中的HX711芯片虽然位数高，但转换频率太低，并且对微弱信号的处理达不到要求。方案二中ADC0832为8位ADC芯片，所以分辨率不够，达不到题目精度。方案三中ADS1286为12位高速ADC芯片，具有低温漂、微功耗的特点，且分辨率能够满足题目要求。因此选择方案三，该方案完全根据题目测量精度进行选择，既能够满足题目精度，成本也比较低。1.3控制器部分方案一：FPGA+彩色液晶+按键，程序执行率很高，运行速度很快。方案二：ARM单片机+OLED，功能强大，功耗低。方案三：采用IAP15F2K61S2单片机做为控制器，OLED作为显示器。成本低，操作简单。方案论证与选择：方案一虽然程序执行率高，运行速度快，但成本较高，对硬件要求很高，程序相对复杂。方案二控制能力强，速度快。但相比于方案三来说，方案三操作方便、用法简单，并且价格更便宜。因此选择方案三，该控制、显示方案成本低、编程简单，完全满足电子称之类的简单应用。1.4人机交互界面1.4.1按键方案一：利用专用芯片式设计。专用键盘处理芯片一般功能比较完善，芯片本身能完成对按键的编码、扫描、消抖等问题的处理，甚至还集成了显示接口功能，可靠性高，口简单，使用方便，适合处理按键较多的情况。方案二：利用4×4矩阵键盘。用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。例如，用2×2的行列结构可构成4个键的键盘，4×4行列结构可构成16个键的键盘。方案三：利用5个独立按键，分别选择功能。方案论证与选择：方案一虽然功能强大，但成本比较高，所以不选择。方案二中按键较多，相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活，但根据实际情况，我们只需要5个按键就足够了。因此选择方案三。1.4.2显示界面方案一：采用七段LED数码管显示。LED显示器由八个发光二极管中的七个二极管按a、b、c、d、e、f、g顺序组成“8”字形，另一个点形二极管放在右下方，用来显示小数点。用数码管来显示重量、价格等数字。方案二：采用LCD1602液晶显示。LCD1602可以显示字母、数字、符号等字符，显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符。方案三：采用OLED显示。OLED分辨率高、功耗低，采用有机发光原理，所需材料很少，成本大幅降低方案论证与选择：方案一只可以显示数字，不能显示字符，所以当电子秤的功能变化时可能会让人不知所显示的是重量还是价钱等其他项。方案二中LCD1602显示屏可显示的内容为32个字符，但我们需要把四种功能同时显示出来，所以方案二的字符不够用，不能采用此方案。方案三可以完成以上要求，且操作简单、成本低。因此选择方案三。1.5系统设计框图图1-2系统设计框图第2章系统模块电路设计2.1数据采集部分测量电路图2-1全桥测量电路图2-1为全桥测量电路，此电路由四个电阻应变式传感器、电阻与滑动变阻器组成。电桥的一个对角线接入工作电压E（-4V～4V），另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。在加上Rw1，就可以调节零点漂移，达到温度补偿的效果。在测量时，当物体的重量不同，电桥不平衡程度不同，指针式电表指示的数值也不同。滑动电阻器Rw1作为物体重量弹性应变的传感器，组成零调整电路，当载荷为0时，调节Rw1使数码显示屏显示零。但在调好后，在称重时不能再改变它，以免产生误差。当给电路输入-4V～4V时，可以计算出输出电压为：（2-1）当应变片初始值R1=R2=R3=R4，其变化值∆R1=∆R2=∆R3=∆R4时，其电桥输出电压为：（2-2）其中∆R/R为电阻丝电阻的相对变化、K为灵敏度系数、ε为电阻丝长度相对变化。本次设计中，我们采用4个基础电阻均为1000Ω的电阻应变片构成如图2-1所示的全桥测量电路。并且在全桥电路中串联一个5000Ω的滑动变阻器，在滑动端再串联一个10kΩ的电阻用来电路调零。选择1000Ω的电阻应变片是因为当电桥产生形变时，电桥输出端的压差会更大，便于采集。放大电路图2-2放大电路图2-2为差动放大电路，其输入阻抗大，增益倍数高。IN+、IN-是电桥的输出端，即输入Uo的值。OUT+、OUT-为电路的输出端，即输出放大后的Uo的值。此电路由三级放大电路组成，第一级增益倍数：（2-3）第二级增益倍数：（2-4）第三级增益倍数：（2-5）计算可得第一级增益为11，第二级增益与第三级增益均为5。所以，整个系统的增益：（2-6）即整个差动电路的增益倍数为275。电压采集电路图2-3电压采集电路图2-3是电压采集电路，+IN为同向输入端，输入模拟信号。时钟输入端、数据输出端、片选端/低功耗模式选择端分别连接单片机的P3.7、P4.1、P4.2口。ADS1286则把电压信号转换成数字信号送给单片机做处理。ADS1286为12位分辨率的微功耗A/D转换芯片，通过TL431稳压电路得到4.096V的基准电压：（2-7）（2-8）A/D转化的数字量为：（2-9）其中为TL431的基准电压2.5V，为A/D的基准的电压，为A/D的采集电压。2.2控制器部分图2-4主体控制电路如图2-4所示，此电路核心IAP15F2K61S2单片机，控制LED和蜂鸣器实时声光指示系统工作状态，控制OLED实时显示系统数据，I/O端口控制A/D的转换。按键输入选择不同的工作模式。2.3人机交互界面按键五个独立按键K1、K2、K3、K4、K5分别连接单片机的P4.7、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5口。 K1用来选择步进量程，即单价中的十位、个位与分位；K2为步进加一；K3为步进减一；K4为累计，即可以累计价钱；K5为去皮功能。显示界面图2-5OLED接口电路图图2-5为OLED接口电路图，其1脚和2脚分别接地和电源，3脚为时钟信号输入端，4脚为数据传输口。当时钟信号到来时将数据传输给液晶屏。2.4其他系统电源图2-6系统电源图2-6为系统电源电路图，其电压经过变压器变压之后再通过整流滤波变成一个直流电源，利用三段稳压集成模块LM78xx系列对电压进行稳压。如图2-7所示，78L12是一个+12V的稳压芯片，78L05是一个+5V的稳压芯片，79L12是一个-12V的稳压芯片，79L05是一个-5V稳压芯片。经过上面的三端稳压之后可得到一组+/-12V和一组+/-5V的电压。+/-12V给运放电路供电，+5V给最小系统供电。语音播报部分语音播报部分由控制器模块、SYN6658语音合成芯片、功放模块、电源和喇叭五部分构成。主控制器和SYN6658语音合成芯片之间通过UART接口连接，控制器可通过通讯接口向SYN6658语音合成芯片发送控制命令和文本，SYN6658芯片把接收到的文本合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放。当电子秤称重时，按下K4按键，则语音播报出物品总金额；按下K5键，则语音提示去皮功能开始工作。固件升级接口图2-7固件升级接口图2-7是基于PL2303的USB转串口，用于单片机程序下载，支持软件更新。PL2303HX采用28脚贴片SOIC封装，工作频率为12MHz，符合USB1.1通信协议，可以直接将USB信号转换成串口信号，波特率从75～1228800，有22种波特率可以选择，并支持5、6、7、8、16共5种数据比特位。整个电路由USB接口与USB转串口主芯片构成。USB接口部电路主要由三部分组成，分别是USB接头、USB供电和USB数据收发。USB接头提供USB的物理接口，通过USB线可与USB设备连接，其电路图为图2-5中USB处。USB供电部分为整个USB供电，其电路图为图2-5中USB的+5V电路与GND。数据收发部分负责USB接口与USB转串口主芯片PL2303的通讯，其电路图在UD-与UD+处。USB转串口主芯片模块是电路的核心部分，提供USB和串口的桥转换。它主要由三部分组成，分别是USB转串口主芯片PL2303、PL2303工作晶振与PL2303外围电路。第3章系统软件设计3.1软件设计工具与平台开发平台建立在具有微控制信号处理的IAP15F2K61S2单片机上。KeilμVision4软件是IAP15F2K61S2单片机的程序开发环境，此软件支持IAP15F2K61S2单片机在线调试功能，极大的方便了程序员的程序编写工作。3.2软件设计思想本次软件设计采用C语言，利用单片机对各个模块进行控制，以及数据的处理，输出并显示。（1）利用单片机控制A/D模块采集放大后的微弱电信号。（2）将采集的数据进行处理后通过OLED显示屏显示出来。（3）通过检测按键来实现设置称重物品单价，累计以及去皮功能。由于放大电路将微弱的电压信号放大后同时也放大了误差以及信号的波动，在程序上需要对采集的信号进行滤波，这里采用平均值滤波法，多次取平均值后得到较稳定的数据。3.3软件设计流程图图3-1软件设计流程图第4章系统调试与测试4.1调试与测试所用仪器1.台式万用表（UT802）2.直流稳压电源（UTP3702）3.100MHZ示波器（DS1102E）4.2调试过程系统调试先分模块调试，最后进行系统调试。分模块调试时先测定全桥电路与差动放大电路的输出电压，然后再给A/D电路输入电压并测出其电路的输出电压，最后计算出其理论的输出值与误差。电路上电前检查电路是否有虚焊、短路等情况。然后加电检查芯片插槽电源,看电压是否正确。断电后安装芯片，然后再开电,从电路前端到后端分别测试，测试前端电路各点电压时注意尽量防止后端电路对其造成对影响。如果发现异常电压或者电流等情况一定用严格对理论分析发生异常的原因，最后排除异常。系统联调时，一个一个模块电路的增加，最后所有模块连接好，软硬件联调。一定要注意各个模块之间电平匹配及供电问题。4.3测试过程1.电压采集电路（A/D转换电路）测试，见表一所示。表一电压采集电路测试数据记录表序号实际输入电压（单位：mV）实际测量电压（单位：mV）绝对误差相对误差（单位：%）120420041.96240339671.74360259481.33480980091.1151008998100.99612071197100.8371400139190.6481597158980.5091797178890.501020232004100.50112205219780.36122396238790.38132603259490.35142806279880.291530183008100.331632093199100.31173401339380.24183609360090.25193800379280.212039993986130.332.全桥电路测试，见表二所示。表二全桥电路测试数据记录表序号砝码重量（单位：g）理论电压（单位：mv）实测电压（单位：mv）绝对误差相对误差(单位：%）102.612.610.000.00252.712.710.000.003102.812.800.010.364203.012.990.020.665303.213.170.041.256403.413.360.051.477503.613.540.071.948704.013.910.102.499904.414.290.122.72101004.614.480.132.82111505.615.400.213.74122006.616.330.284.24132507.617.250.364.73143008.618.190.424.881540010.6110.050.565.281650012.6111.910.705.553.系统联调测试，见表三所示。表三系统联调测试数据记录表序号砝码重量（单位：g）测量重量（单位：g）绝对误差相对误差(单位：%）15.04.70.36.0026.05.70.35.0038.07.70.33.75410.09.70.33.00512.011.70.32.50615.014.80.21.33720.019.80.21.00825.025.00.00.00950.049.90.10.201070.070.00.00.0011100.0100.60.60.6012150.0149.50.50.3313200.0200.20.20.1014250.0250.20.20.0815300.0299.01.00.3316350.0350.30.30.0917400.0399.01.00.2518450.0449.2 0.80.1819500.0499.10.90.184.4测试结果重量测试，见表四所示。表四重量测试数据记录表序号砝码重量（单位：g）测量重量（单位：g）绝对误差15.04.70.326.05.70.338.07.70.3410.09.70.3512.011.70.3615.014.80.2720.019.80.2825.025.00.0950.049.90.11070.070.00.011100.0100.50.512150.0149.50.513200.0200.20.214250.0250.20.215300.0299.40.616350.0350.30.317400.0399.40.618450.0449.20.819500.0499.3