简易电子称设计报告

1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1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.................................................11.2.1测量电路...............................................11.2.2放大电路...............................................21.2.3电压采集电路...........................................21.3控制器部分...................................................21.4人机交互界面.................................................31.4.1按键...................................................31.4.2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.................................................42.1.1测量电路...............................................42.1.2放大电路...............................................52.1.3电压采集电路...........................................62.2控制器部分...................................................72.3人机交互界面.................................................72.3.1按键...................................................72.3.2显示界面...............................................72.4其他.........................................................82.4.1系统电源...............................................82.4.2语音播报部分...........................................82.4.3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...............................................................151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1.2.1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EKU410;半桥中EKU210;全桥中EKU0（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2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。1.2.2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。1.2.3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。31.4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。41.5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2.1.1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