2016年广西区TI杯电子设计竞赛设计报告

2016年广西区TI杯电子设计竞赛G题：简易电子秤赛区编号：3322016年7月27日I摘要本小组设计出以STM32F103RBT6为控制核心的电子称系统。该系统由控制模块、应变片称重传感器、HX711AD模块、OLED显示模块及电源稳压组成。通过HX711采集应变片传感器的AD值，实现质量的转换，从而达到称重的目的。该系统还可以设置单价，计算物品的金额并实现金额的累加，且具有去皮功能。误差在范围内，完全可以满足题目的要求。关键词：应变片、STM32、HX711II目录1任务及要求........................................................12总体方案..........................................................12.1单片机主控芯片的选择与论证..................................12.2AD模块的选择与论证.........................................12.3应变片的选择................................................23传感器设计........................................................23.1设计方案的确定...............................................23.2工作原理设计.................................................23.3误差分析....................................................33.4最后的测量方案的确定........................................33.5参数计算....................................................33.6机械结构图..................................................44硬件电路设计......................................................54.1硬件系统总体结构框图.........................................54.2测量电路设计.................................................54.3电源电路设计.................................................75软件设计..........................................................95.1程序功能描述与设计思路.......................................95.3程序功能调试................................................106测试方案与测试结果...............................................11附录1：主控电路原理图.............................................12附录2：HX711模块原理图............................................13附录3：程序.......................................................141简易电子秤（G题）1任务及要求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，电子秤的结构如右图所示。如右图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。（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；图1（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）在第（2）条误差前提下，进一步扩大称重范围；（6）其他。（5分）2总体方案本系统主要由STM32单片机主控模块、电阻应变片、HX711AD模块、电源模块组成，OLED显示模块构成。2.1单片机主控芯片的选择与论证方案一：AT89或STC89系列芯片。这两种系列芯片，使用广泛，控制简单，但是外设，如定时器，PWM等资源较少，I/O口数量不多，储存容量小，难以实现复杂算法。方案二：STC12或STC15系列芯片。这两种芯片相对于方案一来说，外设有所增加，但是两种芯片对于我们队来说不那么熟悉，平时几乎没有用过。方案三：STM32F103系列芯片。该系列芯片基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核，具有一流的外设，程序模块化，最大程度的集成整合，易于开发，非常适合这次比赛的使用。综合以上三种方案，选择方案三。2.2AD模块的选择与论证方案一：STM32F103RBT6自带有12位AD，由于传感器非常灵敏，经过测试12位AD达不到所要称重要求，精度不够。方案二：HX71124位AD模块，它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，同时，24位AD也很好的满足了题目的要求，精度完全满足。综合以上两种方案，选择方案二。22.3应变片的选择在本次比赛中我们经过老师的指导，选择了BF350-3GB和BF350-2GB两种应变片来制作传感器。把这两个应变计印刷在一个基底上时，一致性好，另外，方便粘贴和焊接，结构紧凑。3传感器设计3.1设计方案的确定题目给定是电阻应变片式称重，所以本设计重点在以弹性元件作为敏感元件，为了使力的作用点不受限制，本方案选用等强度梁做敏感元件，为了使输处信号增大，选用半导体应变片做转换元件，并选用电桥作测量电路，其设计方案组成的框图如图2。图23.2工作原理设计1)等强度梁工作原理设计等强度梁的结构如图3所示。由力学原理，应变为WEhblE206式中W--------被称重量；h---------量厚度；b0---------梁梯形底长度；图3l---------力作用臂长度;2）半导体应变片工作原理由教材的推导半导体应变片的工作原理知方程式为ERR令S0=E（灵敏度系数），则0SRR3)测量电桥工作原理设计3)(443210sUU四个桥臂同时工作的直流电桥如图4所示图4当取i4321RRRRRRR且时，略去分母中iRR/得3.3误差分析由以上各环节工作原理可见（1）等强度原理工作原理公式和半导体电阻应变片的工作原理公式是线性的，所以不存在原理式误差，只存在温度误差。（2）而测量电桥的工作原理公式，即有非线性误差，也有温度误差影响测量结果。3.4最后的测量方案的确定由以上误差分析可知：为了消除非线性误差和温度误差对测量结果的影响，最后确定所设计的称重电阻应变式传感器采用差动电桥测量方案组成，其组成框图如图1所示，图中的等强度梁与半导体应变计，都是相同的，只不过它们同时接受两个相反方向的作用量和相同方向的温度作用，而在电桥中进行差动输出，从而消除非线性和温度作用的影响。差动电桥的输出如图5所示当重力W和温度t同时作用时：R1的作用函数tRRRR1R2的作用函数tRRRR2当电桥输出端开路时，电桥的输出电压U0为stURRRRU1210当取RRRRt//时得图5差动电桥RURUs210有式可知，电桥输出电压R0正比于U，且为线性输出特性，消除了非线性的影响；和当RRRRt//时，消去了tR，即消去了温度误差的影响。3.5参数计算1）等强度梁结构参数的计算主要是根据强度理论和等强度梁在所设计电子称重占据的几何尺寸来选定和计算有关的参数。4则梁的厚度][60bWlh式中][--------梁材料的许用应力（由材料手册中查得）设计计算：（1）W--------题目给定的称重范围，可取最大值；（因题目要求中（5）进一步扩大称重范围，因此已2千克来设定）(2)l---------等强度梁长，可根据许用几何尺寸来确定（3）b0---------梯形的底面宽度，可根据允许梁所占据的面积：其中][为铁质材料的许用剪应力。2)半导体应变计参数选择由于已知00221SURURUss因为题目没有要求sUU0、、，所以sUU0、、均未知，因此在保证0U为最大输出电压下，载半导体应变片性能表中S0值。3)测量电路参数计算与选择由WEhblE206和00221SURURUss得计算参数（1）题目给定称重范围W值；（2）供桥电压Us，可选取或计算得到；（3）lhb、、0由等强度梁参数计算获得；（4）半导体应变计的灵敏度系数S0，已由半导体应变计参数计算中各种方法获得；（5）弹性模量E可由梁的材料从材料手册中查的。即可算出U0。3.6机械结构图根据上述所计算出的参数，本次比赛设计出悬臂梁机械结构如下图6所示。EhbWUlSEhbUlWSUss2002000326][23,2minmin0hWblbbA5图64硬件电路设计4.1硬件系统总体结构框图系统总体结构如图7所示，主控芯片采用STM32F103RBT6，AD芯片采用HX711，显示液晶屏采用OLED。图74.2测量电路设计前面已经设计出悬臂梁的机械结构，如下图8为悬臂梁应变片的粘贴及受力工作原理示意图。6图8将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上,当弹性元件受力产生变形时,应变片产生相应的应变,转化成电阻变化。将应变片接成如图9所示的电桥，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化,通过测量输出电压的数值,再通过换算即可得到所测量物体的重量。图9A/D转换芯片我们采用的是HX711，它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。原理图如下图10。7图10整体的接线图如下图11所示图114.3电源电路设计电源系统框图如图12所示，用9800Ma大容量18650电池做电源，然后通过LM2596模块稳压成5V给单片机最小系统供电，通过7805稳压成5V给传感器及HX711模块供电。8图12电源子系统电路，如下图13图1395软件设计5.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述程序功能:称重、去皮、设置单价、计算金额，金额累加、找零，超重报警，OLED显示等；1）键盘实现功能：单价设定、去皮、切换模式等。2）显示部分：显示当前模式、重量，单价，总价等。3）报警提示：当重量超重或去皮质量超过范围时，发出报警。2、程序设计思路○1初始化函数○2实时AD值，转换成质量，并显示○3监测按键操作○4执行对应子程序○5显示相关数据○6等待执行完毕，跳出子函数，重新进入循环。5.2程序流程图图14105.3程序功能调试硬件及线路接好后，对系统开始进行调试，读出当前的AD值，显示在液晶上。然后发现AD值跳动很大，对标定及称重都有影响，这时我们对AD进行了滑动均值滤波，并且在满足精度的前提下只取前17位AD进行处理，这是就可以看到AD值就很稳定了，然后就可以对电子称进行标定了。相应