【《基于物联网技术的智能电子秤系统设计》7300字】

-4-基于物联网技术的智能电子秤系统设计摘要现在人们的生活因为科技的飞跃式发展二得到了改善,人们也对日常生活中常用的称重技术也有了新的标准。本文主要是关于如何设计一款能够实际应用的智能式电子称,文章中简单地介绍了一款智能式电子秤的基本工作原理,还详细叙述了智能式电子秤的集成电路设计和软硬件组合情况。本系统采用的主控芯片是型号为STM32F103C8T6的单片机，显示模块采用的是OLED液晶显示屏幕，同时本装置还具有信息存储和信息查询能力，可以将称重后的数据存储在存储器中并查询过往称重的数据。采集模块由称重式传感器组成，显示模块由OLED单元组成。第一步是对物体的质量进行参数采集，需要使用称重式传感器，然后通过A/D转换器将数据发送给单片机。与一般便携式的电子秤相比,智能型电子秤的优点是它在体积更小、计量更准确、携带也更方便、操作也更简单。关键词:智能电子秤称重式传感器A/D转换器记录查询目录1引言 61.1电子秤的发展现状及趋势 61.1.1发展现状 61.1.2发展趋势 61.2项目研究意义 72电子秤的硬件设计 72.1称重传感器 72.1.1选择称重传感器时的问题 82.1.2称重传感器的基本结构 92.2传感器原理 92.2.1传感器的弹性元件 102.3单片机系统 102.4电路设计 122.4.1电子秤的调零电路 122.4.2电子秤的数据采集和处理部分 132.4.3OLED显示器 153系统软件设计 153.1系统主程序 153.2LED程序 173.3A/D转换程序 183.4OLED显示模块 193.5按键流程图 204系统调试 215结论 246参考文献 25附录系统电路原理图 271引言在古代,人们为了更好地使得交易公平,刚开始时候便是通过利用一些木材或者是泥土等原料做成的小型容器来对货物进行称重,后来,又为货物制作了简单的杠杆秤来对其进行称重。现在已经证明了世界上最有历史的计量工具是在古埃及的地区被发现的。落后的企业会自动退出市场，电子秤无疑将拥有极其广阔的市场前景。本章节分析了电子秤的发展现状及趋势,还有研制电子秤的意义,介绍了一些项目研究背景和使用的主要技术。1.1电子秤的发展现状及趋势1.1.1发展现状在现代社会，电子衡器已经普及，生产过程和信息处理已经无法放弃电子衡器的使用，今天的称重技术和数据系统已经成为各大领域不可或缺的一部分。电子衡器有各种各样的，也关系到人民生活的方方面面，所以世界上每个政府都特别重视电子衡器，而且衡器还是我国强制管理的称重器具。称重是一个非常重要的过程，经常用于自动化控制和贸易计量，对于提高企业的管理，贸易，商业生产，无论是货物的交付还是科学研究都发挥了不可或缺的作用。数年以来,称重的技术历经发展，在我们国家，衡器领域的技术能力和测试方式大约已经达到了全世界90年代中期的水平。随着动态称重和测试技术的快速发展，动态电子称重逐渐由静态电子称重技术演变而来;从传统模拟式的静态称重逐渐变为数字式的动态称重;多个不同参数的动态称重也由单一参数的静态称重慢慢转变。但是与世界上其他发达国家进行比较时，我国电子衡器产品还是存在一些距离,主要的差距存在于技艺、器械配置与仪表测试、专业的开发人才稀缺、功能不够齐全、电子衡器的稳定程度和可靠程度等方面。1.1.2发展趋势电子秤属于一种电子衡器，即由放秤的台座和托盘物组成，然后需要称重的物体的重量使传感器发生蠕变,最后通过显示器显示数字。电子秤大方面一向上讲的就是通过结合机、电、测量仪,功能齐全、迅速和完全自动化方便地对人进行科学计量、提高了测量稳定性和测量可靠度等。在实现小型化、模块化和系统集成式、智能化等时,电子秤将有机会更具有一个大致的产业发展战略方向。它的主要技术发展特点一个主要发展目标是那就是不断提高飞机称重称量速度、使得起重称量更加精确、稳定可靠;在功能上使电子秤"智能化",通过指令让他其做出相应的处理,使电子秤能在更多领域应用起来,具有更高的综合性。1.2项目研究意义在这个飞速发展的社会下,人们对生活的质量有了更高的标准,所以在生活中最常用到的称重自然有了更高的要求,特别是微处理技术和传感技术。由于现在便携式电子秤的应用和发展现状,人们更加关注小型普及式便携手推车。文章是设计有可行性的单片机智能电子秤。智能电子秤个头更小、称重更精准、更方便携带,而且称量后可以直接结算。不仅有普通电子秤的功能,还添加了记录查询等功能。本设计的标准严格按照国际规定的计量标准进行。2电子秤的硬件设计电子秤的测量方法与原理:一个传感器的弹性体因为对称量物体重量而产生的形变,传感器就会产生一个叫做电信号,这个叫做电信号和它的重量之间呈正比例函数,然后经过一个输入信号的放大,再由一个输入信号的转换器改变成一个频率的信号,由微处理器接收到这个信号,通过一个微机对它进行处理后,和微机相互连接的各个接口一起连接着进行应用,最后由一个显示屏幕通过数字显示。称重传感器、放大器、数模转换器、单片机部分、键盘/启动器、OLED显示器等组成部分就是这款电子秤的一个硬件组成部分。该仪器的结构框图设计如下图2-1。图2-1智能电子秤结构框图2.1称重传感器在整个电子秤中,传感器是非常关键的部分,也是设计中最难的一部分,传感器的好坏直接决定了电子称的性能。经过新时代后我国各方面都得到了飞跃式发展,特别是微机技术和民生经济都有了非常大的进步。电子秤最重要的部分是传感器,所以称重传感器关系着整个称重控制系统的稳定性和可靠性。2.1.1选择称重传感器时的问题不同化境对称重传感器的要求不同,在选择称重传感器时应着重考虑以下方面:一、选择传感器的精度性价比的选择是否适宜、实用以及传感器的量程,是否能够符合称量系统的要求等各个方面都需要充分考虑得到,从而正确选择传感器精度和等级。弹性结构和是不确定存在着线性的补偿直接影响到了传感器工作的准确性。有的弹性物体结构虽然自然线性不高,但在受到冲击、密封这些地方有着超高的优势,所以比较适合在对传感器的精度没有太高要求、环境较差的地方工作,也就是也就是有复现性、可靠性的传感器。二、选择传感器的量程在选择传感器的量程时主要考虑以下几个因素:1、被称重物料上限重量值；2、秤台或者装置的自身重量；3、设置的传感器数量；4、最大偏差值；5、在称量时会有的动载、冲击等和以及其他的干扰因素。三、选择传感器的技术参数选择传感器的技术参数:1、误差值等技术参数通过系统的具体要求来选择；2、传感器输出的灵敏值必须符合规定；3、依据系统的具体要求来确定桥路阻抗和激励电压等参数及特性等。四、选择传感器的密封状态对于称重式传感器而言,在一个弹性体顺利地完成了贴片式组桥补偿工作之后,就可能会使得材料和机械部件遭到周围环境中湿气的腐蚀。在实际工作时,若不能实施严格的密封外罩,会被周围环境中可能存在的一些有害气体以及水、粉尘等造成的伤害,因此当这些传感器正常工作时,添加一些防护外罩也是非常必要的。2.1.2称重传感器的基本结构现代的称重传感器的结构基本上可以分为划分出来形成以下几个类型,它们每一种都各自具有不同的特征,每种传感器都具备自己所相应的称量区域范围与性能,这种优势与特点给我们的选型工作带来了便利。一、柱式传感器最早的传感器的结构形式就是柱式设计,柱式传感器可以称量几十吨甚至几百吨的货物,不过随着科学技术的进步就逐渐被淘汰了,所以就不过多介绍了。二、桥式传感器其实桥式结构的传感器就是另换了一个名字的双梁式结构的传感器,因为它的弹性体比较像桥,所以在国内把它称为桥式传感器。桥式传感器的优点:量程比较大、结构合理、加工方便等。三、S形双连孔式传感器双连接的弹性体转换元件通常用于量程不是特别大的称重传感器。当没有线性补偿时，传感器精度在0.02~0.05范围内。其抗偏性和抗侧方能力相对优秀。常用的是料斗秤和皮带秤。根据我国电子秤各个方面的特点和需要,本项目把一种桥式结构的传感器产品作为设计核心,其结构如图2-2所示。图2-2桥式式传感器的结构。2.2传感器原理称重传感器可分为电阻应变式、差动变压器式、电容式等几种常见类型。应变片式传感器的主要工作原理:一个弹性元件因为被称重而对物品的体积发生了形变,然后在这个时候,一个位于弹性元件上的电阻应变片就会把其形变成一个阻值的改变。电阻应变式称重传感器功能更全面，结构简单，体积适宜;直线性、重复性、可靠性、稳定性等方面都比一般的优秀;还可拉、压两种;而且比一般的寿命长,维护方便;还可以用作动态测量。2.2.1传感器的弹性元件一、弹性元件的结构形式传感片敏感元件主要是由各种可以直接反映物理和应变情况的材料组成,但是由于它们所受到的工作条件和环境、安装时所占用空间的大小、如何承受到的压力、量程度大小、灵敏值等因素影响,对于传感器精度要求、应变片体积的大小等多种影响,所以被称为环式、膜或者是梁式等结构使用比较多。二、弹性元件尺寸的选择弹性元件大小和尺寸的确定必须首先要严格遵守一些规范:被黏着的电阻应变片在弹性元件的横截面上所发生的形变都必须是单一并且均匀的,通过被黏着的应变片所反映出来的各种应变信号和被黏着的测量结果所显示出来的各种参数都是呈现线性曲线;受力或者变形时的弹性零部件必须具备自我恢复的能力及其稳定性;而且弹性元器件应当具备较高的抗侧向能力。图2-3称重传感器实物图2.3单片机系统单片机比较一般的微型机的优势:一、集成度高、体积小单片机的一块芯片基本上就是包含了处理器、只读存储器、阅读存储器和I/O接口等多种微机的部分,单片机的芯片应用非常广泛,很多领域都离不开这些芯片的功能,单片机的集成程序精度高,体积小可以满足各个领域硬件的要求,所以一般做出来的单片机应用系统也都不复杂。二、面向控制、功能强单片机的主要作用是控制,它有很强的实时控制能力,I/O接口可以直接被CPU控制,进而执行各种操作,可以非常精准的完成各类控制工作。三、抗干扰能力强单片机芯片内部一般是CPU存储器和接口的信息传输线,所以一般不受外界的干扰;还有一种体积小的单片机，可以承受高温等工作，即使工作环境不够适宜，也能顺利完成工作，所以单片机具有非常高的可靠性和性能。四、使用方便由于单片机的软件部分功能比较全面,没有复杂的系统扩展方式,所以即使单片机系统硬件设计能力并不高超也是可以拥有较高的完成度,而且现在国际上有多种多样的工具去对单片机进行设计,软件调试功能和一些辅助性软件设计的工具和方法都增加了,大大缩短了开发时间和周期,使成本得到了大幅度的降低。因为这些特性，使得科研成果很快转化成了主要生产力,使研发过渡阶段大大缩短。图2-4STM32F103C8T6单片机实物图图2-5STM32F103C8T6单片机原理图2.4电路设计硬件电路的质量是影响测试仪器质量和性能的重要方面。便携式智能仪器主要的特点之一就是轻巧、简单、低功耗、高成本,使用了集成化的芯片,对于一起来说电路系统的规模越小越好,更能体现出智能仪器的优势。本节主要对电子秤的一些关键单元的电路进行了一些简要的介绍。2.4.1电子秤的调零电路调零控制电路就是对于一台电子秤的一种自动角度调节控制电路,一般来说,传感器可能会在其中直接产生一个或几个零点的信号输出控制信号,而且每当电子秤本身的载重量较大时也可能会直接导致一个传感器在其中只能产生一个零点信号,而这些输出信号对系统并没有积极作用,调零电路就是为了抵消掉这些无用的输出信号而设计出来的。大功率电阻器、滑动高压变阻传感器器和高压直流电源器等是自动调零控制电路的主要组成元件。如电路图2-6所示,工作时将两个串口连接到电路输出和输入测量两个仪表之间。图2-6调零电桥及其接法在不称重时如果有输出电压U01的话,就可以通过可变电阻Rb来控制电桥的电阻,使输出电压UO2发生改变,让其和输出电压U01相互抵消掉,这样总的输出电压就一直处于0的状态。这就是调零电路的具体操作。2.4.2电子秤的数据采集和处理部分一、A/D转换器经过对传感器的分析可以得出:A/D转换器的误差不能高于0.03%。12位A/D精度:15kg/4096=3.6g14位A/D精度:15kg/16384=0.92g因为其他因素的影响,我们会发现12位的A/D的精度不够,所以只能选择更高的精度。在各式各样的数据转换器中各自都有其侧重,HX711型A/D数据转换器的侧重点就是输入精度,准确性很高势必需要舍弃部分,所以它的数据转换速度比较慢,差分输入的精确度高,低输入阻抗,而且调零是自动的,当超过最大量程的时候会有输出信号,与TTL电平不会发生冲突。HX711A/D转换器是一款专为电子秤设计的24位A/D转换器芯片，具有很高的精度。与其他同类型的芯片相比，HX711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。HX711转换器降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。芯片和后端MCU芯片之间的接口和编程非常简单。所有控制信号均由引脚驱动，无需对芯片内部的寄存器进行编程。输入选择器开关可以随意选择通道A或通道B，并将其连接到其内部低噪声可编程放大器。通道A的可编程增益为128或64，对应的全线差分输入信号幅度分别为20mV或40mV。通道B是用于系统参数检测的固定32增益。芯片中提供的稳压电源可以直接为外部传感器和芯片中的/D转换器提供电源，并且在系统板上不需要额外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。表1HX711管脚功能图2-7HX711实物图2.4.3OLED显示器根据此次设计的需求,需要显示物体的重量,众多的显示器中,点阵式的液晶显示器都是符合要求,所以我们选择了点阵式的液晶显示。现在这类显示器中所应用得更为广泛的就是选择emc公司生产的ea-d系列点阵液晶显示模块。该显示模块主要有显示器和数据存储器，采用的方法是+5v电源。图2-8OLED显示模块实物图3系统软件设计这一章节的主要内容是一些关于程序的主要操作流程框图。3.1系统主程序本系统是一个同时具备智能称重、扣重以及记录查询功能的基于物联网技术的智能电子秤的结构设计。当主程序开始进行，首先对OLED显示模块进行初始化设置，接下来对放置在称重传感器上方的物体进行数据采集并由HX711A/D转换器进行转换，由OLED显示模块对采集到的数据进行显示。重新放置一个物体在称重传感器之上，重复上述操作，重新进行数据的采集。主程序流程图如图3-1所示。图3-1主程序流程图3.2LED程序在本系统中，使用矩阵键盘来控制LED灯的亮与灭，需要检测按键按下与否，进而做出相应的消息响应。LED程序流程图如图3-2所示。图3-2LED流程图3.3A/D转换程序首先启动转换，把采样开关接通，进行采样。在采样电路采样后，开关断开，采样电路进入保持模式，A/D真正开始转换。最后将离散幅值经过量化以后变为数字。A/D转换模块的流程图如图3-3所示。图3-3A/D转换流程图3.4OLED显示模块当USB接口接入电源后，按下按键，对OLED显示模块进行初始化，初始化完成后将采集模块采集到的数据经过A/D转换模块转换后以阿拉伯数字的形式显示在显示屏上。再次按下按钮以清除显示屏上的数据并显示新收集的数据。OLED显示模块流程图如图3-4所示。图3-4OLED显示流程图3.5按键流程图每列线通过上拉电阻连接到电源，每列线在没有按键的情况下被按下时为高。当一行线的输出为低电平，并且在该行线上按下一个键时，相应的列线变为低电平。在本系统中，STM32F103C8T6单片机就是利用这种方法对整个键盘进行扫描。CPU不断对行线逐行设置低电平，然后检查各列线输入状态确定按键情况。矩阵键盘流程图如图3-5所示。图3-5矩阵键盘流程图4系统调试图4-1智能电子秤实物图本课题设计的实物图如图4-1所示。调试的过程：1.准备一根USB接口数据线，准备一个供电系统，可选择充电宝或者带有USB接口的插头；2.将USB插口接入电源，另一端口接入芯片的接口；3.打开电源，按下按键SW2，OLED显示模块亮起并称重；图4-2没有放置物体时称重4.接下来开始进行物体称重，准备一个质量不超过5kg的物体，将它放在称重传感器上，数据采集模块进行数据的采集，并由OLED显示模块进行显示。如图4-3所示。图4-3称重传感器正在对物体进行称重5.再选择2个重量不同的物体，依次放在称重传感器上进行称重，数据采集模块依次进行数据采集，并由OLED显示模块进行显示，如图4-4和4-5所示；图4-4称重传感器对第二个物体进行称重图4-5称重传感器对第三个物体进行称重6.移走放置在称重传感器上方的物体，按下按键SW3三次，可以查询到之前四个物体的称重结果，此装置最多可以查询十个记录，如图4-5（1）（2）（3）（4）所示。图4-5（1）查询第一次称重记录图4-5（2）查询第二次称重记录图4-5（3）查询第三次称重记录图4-5（4）查询第四次称重记录5结论本此产品设计的目标和主旨就是为了满足人们的社会需要,在设计中涉及了许多领域,比如电脑、传感器、单片机以及机械等方面。在此次设计过程中对仪器硬件和软件研究及其软件开发等各个部分尽量做到了细心的考察和解释。这样一种由单片机自动控制的高精度智能电子秤，它体积更小，价格更便宜，测量更准确，称重更快，产品质量标签称重功能和价格计算等功能集成在一起，并且在市场交易和正常家庭的正常称重等各个方面的要求基本上可以满足，该设计标准与国际法定计量组织标准的要求基本相同。设计过程中因为受到研究时间和没有更加完善的知识结构的原因,设计中肯定会有或大或小的问题,有可能是选材上的,也有可能是误差计算上的,总之我还应该继续学习,使自己不断提高。当我完成这个课题的时候，我不仅动手能力增强了，而且连我的编程水平也有了很大提高，所以我也非常感谢能有这么一次机会来完成此次毕业设计。参考文献[1]施汉谦.电子秤技术[J].中国计量出版社.1991.[2]何小艇.电子系统设计[第三版][M].浙江大学出版社2004.[3]楼然苗.51

系列单片机设计实例[第二版][M].北京航空航天大学出版社.2