简易电子秤传感器电路设计硬件结构搭建软件程序的编写重量的显示综合设计-天津市电子设计竞赛三等奖

摘要：本系统以MKL26单片机为控制核心，采用电阻应变片自制称重传感器，加以液晶显示模块、矩阵按键模块、电源模块组成简易电子秤系统。电阻应变片式称重传感器以BE350-4AA应变片为敏感元件，采用全桥电路作为转换电路，将电阻应变量转换成电压信号输出，采用差分放大电路对弱电压信号放大，输入到单片机进行A/D转换并显示。采用4*4矩阵键盘对所称物品单价的输入，并用TFT1.44彩屏显示物品单价、重量及金额。升降压模块组成稳电压电源电路。该系统能够数字显示被称物体的重量，称重范围5.00g500g。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；可以设置单价（元/克），可计算物品金额并实现几种物品金额的累加；具有去皮功能，去皮范围不超过100g。关键字：MKL26，电阻应变片，差分放大，A/D转换，去皮1.系统方案设计与论证 本系统主要由控制器、称重传感器和液晶显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1方案比较与选择 1.1.1主控芯片 方案一：采用51系列单片机作为控制器。51单片机是应用最广泛的8位单片机之一，广泛应用于工业测控系统之中。它体积小，兼容性强，控制能力强，扩展灵活，使用方便，可以实现简单的控制，价格便宜。但是运行速度很慢，I/0口的驱动能力弱，功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。 方案二：采用MKL26作为控制器。Kinetis L系列微控制器吸取了ARMCorte 系列微控制器的卓越能效和易用性，而且体现了Kinetis 32位微控制器优质的性能，多元化的外设，广泛的支持和可扩展性。支持多功率运行模式，支持闪存，内部存储器具有安全保护，模拟外设丰富，具有多位串行接口，稳定性高，操作简单方便。 方案三：采用FPGA作为系统的控制器。FPGA运行速度快，管脚多,容易实现大规模系统；内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力；有大量软核,可以方便进行二次开发，使用预建的逻辑块和可重新编程布线资源，用户无需再使用电路试验板或烙铁,就能配置这些芯片来实现自定义硬件功能。设计周期短，灵活，适合用于小批量系统，提高系统的可靠性和集成度。但由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二稳定性高，价格便宜，易操作，运行速度快，使用方便，能够满足所有功能需求，所以本系统采用方案二。 1.1.2电阻应变片 方案一：丝绕式电阻应变片。用电阻丝盘绕电阻片称为丝绕式电阻片，目前广泛使用的有半圆弯头平绕式，这种电阻片多用纸底和纸盖，价格低廉，适于实验室广泛使用。缺点是精度较差，横向效应系数较大。 方案二：短接式电阻应变片。这种电阻片的制作比较容易，在一排拉直的电阻丝之间，在预定的标距上用较粗的导线相间地造成短路，这种电阻片有用纸底的，也有用胶底的。短路接式电阻片的优点是几何形状比容易于保证，而且横向效应系数近于零。 方案三：箔式电阻应变片。它是在合金箔（康铜箔或镍铬箔）的一面涂胶形成胶底，然后在箔面上用照相腐蚀成形法制成的，所以几何形状和尺寸非常精密，而且由于电阻丝部分是平而薄的矩形截面，所以粘贴牢固，丝的散热性能好，横向效应系数也较低。箔式片能保证尺寸准确、线条均匀，故灵敏系数分散性小。箔式片栅丝截面为矩形，故栅丝周表面积大，因而散热性好。测量输出信号较大、准确性高。 方案三测量准确性高，蠕变和机械滞后小，几何形状和性能符合简易电子秤的要求，所以本系统采用方案三，并使用其中综合性能较好的BE350-4AA应变片。 1.1.3显示模块 方案一：采用OLED显示屏。具备自发光，不需要背光，不需要光源，对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快等特性。但色彩单一，屏幕较小，分辨率低。 方案二：采用TFT1.44五轴按键彩屏。TFT液晶屏每个像素都设有一个半导体开关，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶的色彩更逼真。做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，速度、对比度和亮度大大提高，同时分辨率也达到了很高水平，同时带有五轴按键，方便调节变量。 方案二屏幕显示清晰，色彩绚丽，反应速度快，精确性高，控制方便，能够显示汉字、数字，满足显示需要，所以本系统选择方案二。1.2最终方案 主控芯片：MKL26Z256VLL4单片机 称重传感器：BE350-4AA应变片式自制称重触感器 显示模块：TFT1.44五轴按键液晶屏1.3系统描述 通过上述分析可知，本系统由MKL26单片机最小系统板、BE350-4AA应变片式自制称重触感器、TFT1.44液晶屏显示模块、键盘按键输入模块、电源模块构成。系统结构框图如图1所示，系统实物图如图2所示。 电源模块MKL26Z256VLL4液晶显示称重传感器键盘按键 图1.系统结构图2. 理论分析与计算 根据设计要求，针对上述所选方案，进行理论分析及整体电路主要外围元器件参数计算。2.1应变片应变值分析应变片贴在以铁质材料制成的悬臂梁上，其应变值为 =3*w*(d-a/2-)/E*b*h3其中w为悬臂梁承受的力 a为应变片长度 b为悬臂梁宽 d为悬臂梁的有效长度 h为悬臂梁厚度 为悬臂梁端到应变片的距离 应变片的型号为BE350-4AA 电阻值为350.40.1 灵敏系数：2.1010%, 基本尺寸：长宽=8.24.6（mm） 3. 电路与程序设计3.1电路的设计 3.1.1系统总体框图 系统总图框图如图1所示。 3.1.2 MKL26Z256VLL4最小系统MKL26以其出众的性能、丰富且灵活的外设、很高的性价比以及令人意外的功耗水准，使其成为智能控制系统一种较好的选择，如图2所示。 图2.MKL26Z256VLL4最小系统 3.1.3称重传感器 3.1.3.1组成框图 电阻应变式称重传感器为敏感元件，全桥电路为转换电路，OP07作为一级放大电路放大器，采用差动输入。用T型网络电路作为二级放大电路，用稳电压电源供电。传感器组成框图如图3所示。二级放大电路单片机敏感元件电桥电路一级放大电路 电源电路 图3.传感器组成框图 3.1.3.2电桥电路 应变片用电桥作为转化电路并可以起到温度补偿作用，采用全桥电路电压灵敏度最高，如图4所示。 3.1.3.3差动放大电路 应变式传感器由其检测原理决定了其输出电压较低，因此需要用差动放大电路放大数百倍才能用于A/D转换，差动放大电路由一级放大和二级放大电路组成，如图5所示。 图4.全桥电路 图5.差动放大电路 3.1.4液晶显示 TFT1.44液晶屏凭借高速度、高亮度、高对比度的特点成为液晶显示的良好选择，如图4所示。 图6.TFT1.44液晶屏原理图 图7.矩阵键盘原理图 3.1.5矩阵键盘 用4*4矩阵键盘进行对物品单价的输入及去皮功能，如图7所示。3.2程序的设计 3.2.1程序功能描述与设计思路 悬挂重物会引起悬臂梁产生微小的形变，应变片检测悬臂梁阻值变化并产生微小的电压波动，经过二级放大，通过MKL26Z256VLL4单片机的A/D转换功能读取该电压值，经过滤波算法加强称重精度，然后乘以通过实验获得的变化系数，转化为重物重量，通过TFT1.44液晶屏显示重量。 3.2.2程序流程图开始 初始化采集应变片电压变化值，滤波 计算实际重量 显示实际重量否检测是否有按键按下是 是 显示当前重量 单价 总金额输入金额键金额累加键 去皮键按下设置单价实现金额累加当前重量清零图8.程序流程图4.测试方案与测试结果 4.1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，数字万用表，标准法码。4.2测试结果及分析 4.2.1测试结果 输入电压和砝码重量的关系，如表1所示表 1砝码/g102040508090电压/mV267308392436565608 显示重量与实际重量的比较，如表2所示表 2实际重量/g102040508090显示重量/g9.6719.9139.9250.3480.5090.52 检测复位功能效果，如表3所示表3实际重量g显示重量.4.2.2测试分析与结论 综合比较表1、表2和表，得出结论输入电压和砝码重量是线性关系，砝码每增加10g,电压约增加42mV，即电路连接正确且功能正常。由表2知，所有显示重量均在误差范围内，最大误差为0.52g，复位功能比较好，即系统基本完成了题目要求的功能。误差来源：电路元器件如电阻等阻值存在误差，放大电路三极管存在温差，电路噪声较大，单片机电压输入捕捉精确度不够精确，传感器材料的约束，环境条件易对传感器精度造成较大影响。5.设计总结 通过4天3夜的奋斗，我们经历了简易电子秤从传感器电路设计、硬件结构的搭建到软件程序的编写、重量的显示，最后结合设计的过程编写论文等过程，基本完成了本次电赛题目的要求。在这期间，我们从零基础学习设计电阻应变式称重传感器，查询了大量资料，通过单片机实现了从理论到实践的飞跃，最终实现了有限范围内物品重量的精确显示，有去皮功能,能输入物品单价、计算物品金额并实现几种物品金额的累加。这次比赛我们收获了很多，熟悉了模拟电路的学习及设计，电子元件的特性及功能，对单片机各管脚及函数应用了如指掌，并对、有了了解，提高了论文的编写的经验。对我们以后的电子类学习、单片机的使用有深远的意义。团队合理的分工及默契的合作让我们加深了彼此的了解，收获了一段具有深刻意义的友情。但是这次比赛我们还有很多不足，电路基础方面比较薄弱，单片机的应用及外接设