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简易电子秤.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.57M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    3.1最小系统STM32主控电路图：见附录1
    摘 要 为满足实用电子称的设计要求，进行了各单元电路方案的比较论证及确定， 系统以 STM32 为控制核心，用电阻应变片自制压力传感器，包括最小系统板、 数据采集、人机交互界面三大部分。最小系统部分主要是扩展了主要控制电路， 数据采集部分由传感器、信号的前级放大处理和 A/D 转换部分组成。人机界面 部分为键盘输入、液晶屏显示。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换 成为一种电信号的敏感器件。于关键的 ADC，选用了高分辨率信号调理的 HX711， 是一款专为高度电子秤而设计的 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。 关键字：电子秤 压力传感器 STM32 hx711 1
    1 系统方案分析与设计 1.1 系统方案设计 将电子秤大致划分为三大部分，数据采集模块、控制器模块和人机交互模 块，其中数据采集模块由电阻式应变力传感器、前置放大器、具有放大功能的 A/D 转换部分组成。 1.2 数据采集 （单元电路的方案论证与电路参数计算 ） 1.2.1 本系统要求设计并制作一个实用电子称，能称重、计价、汇总，根据题 目要求，控制方案的选择。最后电路的核心采用最常用、好用和廉价的最小系 统 STM32，下面仅就各个电路单元进行方案论证与设计。 1.2.2 称重传感器的选择 方案一：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高 输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放构成一个差动放大电路。 方案二：采用专用集成放大电路模块，HX-711BF 扩展电路。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。 经分析，我们决定用方案三，HX-711BF 集放大、A/D 转换一体，方便实施， 且该模块专用于电子称重，性能良好。 1.2.3 A/D 转换器的选择 A/D 转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫 2
    无意义。按设计要求：电子称最大称重为 500 克，重量误差不能大于 0.5 克。 我们的理解是满刻度时，只能有±0.5g 的误差，精度要求较高，为 0.1%FS。 A/D 转换器位数的选择： 传感器的灵敏度仅为 1.8±0.08 mV/V，在加上±5V 激励后，实测输出仅 17mV。 按上述精度要求，A/D 转换后，每位代表的重量不应高于： λ＝ 5.0 500 ＝ 1 1000 通过自制的电阻应变传感器量程和精度的分析可知，A/D 转换器误差应在 0.1％以下。8 位 A/D 精度：500g/256=1.953g ；12 位 A/D 精度 500g/4096=0.1221g 考虑到实际制作测量和其他因素的干扰，8 位 A/D 无法满足系统精度要求，所以 我们需要选择大于等于 12 位的 A/D 转换器。 方案一：选用 12 位逐次比较式 ADC 该方案可满足精度要求，但需要比较复杂的小信号放大、调理电路，如果信号 调理不好，会对结果造成很大影响，在时间有限的情况下，应尽量避免没把握 的方案。 方案二：选用高分辨率信号调理 ADC 经过多方比较、论证，最终，我们选择了一款专为高精度电子秤而设计的 24 位 分辨率的多路信号调理模数转换器件 hx711 。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。 hx711AD 接口电路 1.3 人机交互界面 （1）键盘输入 3
    键盘输入是人机交互界面中最重要的组成部分，它是系统接受用户指令的 直接途径。我们采用了 STM32 自带的遥控器作为键盘输入。 （2）显示输出 STM32 自带液晶显示器，可直接使用，省略复杂显示器原件和电路，简化系 统电路设计。 2.理论分析与计算 2.1 软件所实现的功能 ① 称重② 计价 ③ 累计、去皮 ④ 标定 ⑤ 键盘、显示 ⑥ 汇总 2.2 软件流程 2.3 理论分析及计算 （1）称重原理： 称量重量通过秤体传递到称重传感器，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（一般成正比关系）的电信号。 此信号再由 A/D 转换器转换成数字信号送到单片机处理。称重传感器即由非电 量转换成电量的转换元件，它把支承力变换成电信号。 (2)基于 STM32 的主控电路器件选择及参数计算 主控电路以 STM32 为核心，引出了除晶振占用的 IO 口外的所有 IO 口，可 以极大的方便扩展及使用。另外板载一键下载功能，可避免频繁设置 B0、B1 的 4
    麻烦，仅通过 1 根 USB 线即可实现 STM32 的开发。单片机使用 8M 晶振，外 扩 1M 字节 SRAM 和 16M 字节 FLASH，满足大内存需求和大数据存储。 （3）误差是对称量结果准确程度的定量描述,对电子秤称量性能分析,掌握其误 差来源,有助于提高电子秤检定工作的质量和效率。电子秤主要由称重台、称重 传感器、接线盒、屏蔽信号电缆和称重显示仪表组成,被称量的物体置于称重台 上,受重力作用,称重台将重力传递至称重传感器,使传感器弹性体发生变形,在 激励电压作用下输出与质量值成正比的电压信号,经线性放大器将信号放大,然 后经过 A/D 转换为数字信号,由微处理器对质量信号进行处理后直接显示质量值, 电子秤的称量误差主要来源于其不同的组成部分,对电子秤的置零功能、零点误 差及检定、电子秤四角偏载、称量、鉴别力及重复性的误差分析,确保电子秤误 差在规定的允许范围内及零基准点的相对稳定。 3 电路与程序设计 3.1 最小系统 STM32 主控电路图：见附录 1 4.测试及结果分析 4.1 操作方法  把传感器放平，接通电源，显示主界面，预热 30 分钟内，零点有漂移 属正常；  如果空称时显示不为零，可按去皮键清零；如需去除器皿皮重，先按去 皮键，再在器皿上放物件，则显示净重；  第一次使用或较长时间未用，则需用砝码标定；  如果物价重量超出测量范围，显示 OVER!以示警告；  单价设置时，先按设置键，再用数字键输入单价，可使用删除键修改。 4.2 测试方法  电子称放平，预热 30 分钟以上；  把 5g 到 500g 的砝码往称上放，读取显示重量；  设置单价，当物件重量变化时，读取相应的金额；  使用累计功能，读取总金额；  用 100g 的砝码标称，标定功能；  使用汇总功能 5
    4.3 测试数据与测试结果分析 （1）测试数据按照操作方法，在实验室对 5g 到 500g 的砝码进行测试,从小到 大，然后从大到小，间隔一定时间，共测量 10 个来回，共 20 次。 （2）测试结果 表一：重量测试结果与误差分析 标准参数 A/D 转换值 实际测量重量 实际误差 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 80 100 150 200 300 500 84976 85084 85190 85298 85405 85511 85617 85725 85832 85938 86045 86151 86257 86685 87110 88180 89246 91380 95650 0 0 5.060918463 0.060918463 10.02811621 0.028116214 15.08903468 0.089034677 20.10309278 0.103092784 25.07029053 0.070290534 30.03748828 0.037488285 35.09840675 0.098406748 40.11246485 0.112464855 45.07966261 0.079662605 50.09372071 0.093720712 55.06091846 0.060918463 60.02811621 0.028116214 80.08434864 0.084348641 100.0174263 0.0174263 150.1405811 0.140581068 200.0937207 0.093720712 300.0937207 0.093720712 500.1874414 0.187441425 6
    图一：重量测试结果与误差分析 表二：单价金额计算误差分析 实际测量重量 单价 实际金额 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 80 100 150 200 300 500 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 80 100 150 200 300 500 显示金额 0 5.060918463 10.02811621 15.08903468 20.10309278 25.07029053 30.03748828 35.09840675 40.11246485 45.07966261 50.09372071 55.06091846 60.02811621 80.08434864 100.0174263 150.1405811 200.0937207 300.0937207 500.1874414 7
    序号 实际重量(g） 单价（元/500g） 实际金额（元） 累计金额（元） 表三：累计金额计算误差分析 1 2 3 4 50 100 200 300 10 50 100 120 1.01 9.76 42.23 75.38 1.01 11.95 53.86 128.95 表四：去皮计算误差分析 实际皮重（g） 去皮后放置物体实重(g） 显示净重（g） 10 20 50 100 50 100 200 500 50.95 101.12 197.56 498.95 注：由于传感器和其他器件本身并非理想线性，程序中对实测数据进行了线性 补偿. 电子秤的误差主要来源包括以下几个方面： （1）称重传感器的误差：主要来源本身的非线性、不重复性、滞后、零点漂移 和传感器系数的改变；（2）电测装置的误差 ；(3)机械承重系统的误差；（4） 动态干扰误差（动态情况下存在） 8
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