【《基于单片机的电子皮带秤研究与设计》13000字（论文）】

基于单片机的电子皮带秤研究与设计1.1课题的研究背景及意义电子皮带秤是一种动态的计量设备，能够在皮带传送机输送物料过程中，对物料的瞬时流量与累计流量进行连续的自动称重，这样不需要工作人员的操作就可以完成称重任务，大大减少了人工的工作。电子皮带秤的出现为人类的工业生产提供更丰富的操作性、便利性，现在电子皮带秤是矿场、港口码头、化工、粮食等行业的无可代替的计量设备。目前，虽然有图像皮带秤、激光皮带秤等多种用于物料连续自动称重的新型皮带秤出现，但当前工业生产中对于固体物料流量的计量仍然把电子皮带秤作为主要设备。随着传感器技术和微电子技术的发展，数字化、智能化在称重运输装置中的应用也越来越广泛并且取得了很大的进步，电子皮带秤可以大大提高工业生产的自动化程度。但是目前国内许多电子皮带秤主要基于51单片机和传统的集成电路开发，不仅功能集成度低、运算速度慢、数据处理能力差，而且所选用的元件也逐渐处于技术淘汰的边缘。由此称重装置的研究也进入了一个新的阶段。为了提高工作效率和总体性能，就要研究设计具有检测精度高、稳定性好、界面友好的新型电子皮带秤主机。因此这次课题的是基于嵌入式单片机的皮带秤主机软硬件系统的研究与设计。以嵌入式系统为核心的电子皮带秤和传统电子皮带秤相比较，其数据处理能力、计算精度和速度、信息交换能力等都将有大幅提升。1.2国内外发展状况从第一台机械式皮带秤诞生算起，皮带秤已有一个多世纪的发展史。国外上世纪50年代开始把称重传感器等技术应用于皮带秤的称重系统中，这也意味着电子皮带秤的雏形真正出现。国内在同一时期研制了第一台机械滚轮皮带秤。上个世纪60年代末期开始试生产电子皮带秤。上世纪70年代末，微机被引入电子皮带秤，电子皮带秤内部电子部件的结构、内容、集成度得到了显著提高从20世纪80年代开始，微型计算机数字式皮带秤开始出现在人们视野当中，其计算精度远远高于传统皮带秤，功能也更加丰富最近几年以来，随着电子皮带秤大量应用再各个领域，用户对电子皮带秤的功能、信号处理、体积等有着更为严格的要求。传统的微计算机和电子皮带秤的组合已经不能满足技术精度的要求。截至目前，虽然核子皮带秤、冲量式流量计、固体质量流量计等多种固体材料连续计量设备也有一定规模的应用，但他们仍无法完全取代电子皮带秤作为固体物料连续自动称重计量设备的地位。用微处理器取代微型计算机来构成电子皮带秤的控制系统已经成为大势所趋。随着科技的不断进步，使得电子皮带秤快速的发展，新的功能和需求不断出现。譬如：使用现代网络技术实现了设备与互联网的连接、设备与设备的互连、实时资源数据共享、远程主动升级、利用网页在线自我诊断等，这些都是以往皮带秤无法触及的。届时，电子皮带秤将会具备更杰出的性能，以及更高效的数据分析处理能力。1.3皮带秤称量架的研究状况电子皮带秤秤体技术的升级换代在电子皮带秤的可靠性、稳定性、准确度不断取得进步的过程中扮演着不可或缺的角色。各个组成部分的技术进步才能使其不断地发展成为更高精度的电子皮带秤。皮带秤的秤体从单杠杆式到双杠杆式、从单托锟到多托锟的演变，是采用扩展有效称量段的方法，来改善皮带秤检测精度和稳定性。皮带秤的秤体种类有:单托锟单杠杆式秤体、多托锟单杠杆式秤体、多托锟双杠杆式秤体、悬臂梁式秤体、直接承重式秤体、多托锟组合悬浮式秤体和多托锟整体悬浮式秤体，还有目前主流的多托锟阵列式秤体。20世纪80年代以前的电子皮带秤秤体秤体形式主要是杠杆结构，分为单杠杆单托锟式和双杠杆多托锟式秤体两大类。日本大和制衡的CS-ECS1型电子皮带秤便是双杠杆多托辑式皮带秤的一个代表例子，该型皮带秤使用两个称重托锟支撑起皮带，借助于两个杠杆将称重托锟所受力及其自身重力一并传递给称重传感器。80年代以后，秤体进入无支撑的时期。此时期，荷重经过称重托锟直接施加到称重传感器上，而无需借助杠杆传递力。无支撑装置的典型代表是日本大和制衡开发的CS-ECU2型悬臂式秤体。此型秤体使用4个高精度称重传感器直接支撑，使有效称量段得到了延长，对瞬间荷重的支撑能力变大，传感器所测得的是荷重与秤体的总重量，因为不使用杠杆支撑，降低了测量误差。类似的例子还有美国凤凰衡器技术公司单/多托混悬臂式皮带秤；我国湖南新化器件厂研发的带平行簧片的悬臂式皮带秤。悬臂式秤体是由支点和称重传感器承重，适用于短皮带输送机秤。也是在这个时期，模拟皮带秤开始逐步被微机数字式皮带秤取代，并采用了高精度称重传感器和先进的数据处理技术进一步提高了皮带秤测量的稳定性和准确度。本世纪初，悬浮式秤体逐渐取代了无杠杆支撑结构的皮带秤，变成了电子皮带秤的主流秤架构造，基于悬浮式秤体的结构，物料的检测精度提升幅度显著。现阶段比较流行的是直接承重式秤体，它由称重传感器直接撑起整个秤体，不过其特性与单托锟悬浮式秤体相同。1.4本文主要研究内容为满足市场在固体散装物料流量检测的高精度需求，本文来研究与设计基于嵌入式单片机的电子皮带秤主机系统。对阵列式电子皮带秤进行整个电子皮带秤系统的总体性能的提高，在检测精度、计算能力、系统管理、稳定性与可靠性等方面进行了改进。设计的电子皮带秤基于阵列式称重理论，其在较长、张力变化较大的运输皮带的固体散状物料检测场合，相比于传统的电子皮带秤在检测精度上有很大优势，另外它具有秤架刚度要求不高、适应性强、安装灵活、维护工作量少等优点。采用高性能、低功耗、开发生态较好的ARM单片机为主控芯片，满足了高数据处理性能和低功耗兼备的要求，选择专门为高精度电子皮带秤而设计的24位A/D转换器HX711芯片，可提升电子皮带秤在采集重量数据的精度；采用LCD显示器以及矩阵键盘的人机接口既保证了操作的灵活性也考虑了用料的费用；采用光电脉冲式测速传感器配合ARM自带的RTC和中断等外设能高效的实现速度信号的采集任务。本文具体研究内容如下:（1）介绍本论文研究的意义、背景以及国内外电子皮带秤发展和目前状况（2）分析电子皮带秤的各个部分的组成结构及工作原理；分析了皮带秤的称重理论；分析了引起电子皮带秤检测误差的常见原因；分析了称重传感器、测速传感器的工作原理和选型。（3）皮带秤主机硬件系统应用研究与设计。从典型框架、特点、处理器类型及未来发展趋势等方面对嵌入式系统作了一个全貌的介绍。分析了STM32单片机的中断特点及工作原理，重点分析了皮带秤主机中的各模块的功能实现、选型、硬件电路设计，并对电路板信号稳定性进行验证。（4）皮带秤主机软件设计。电子皮带秤主机系统初始化流程图以及各功能模块的驱动设计，并且对数字滤波方法进行了分析。第二章分布式电子皮带秤的总体设计2.1电子皮带秤的结构和组成把放置在皮带上的松散物料进行连续动态测量，这就是电子皮带秤的主要工作。市面上常见的皮带电子秤主要由四部分组成：承重装置、称重传感器、速度传感器和称重显示器，下面依次介绍。皮带电子秤承重装置的秤架种类上一章已经提及，下面主要来分析其优缺点和适用范围。单托辊式只用一组称量杠杆，其上承受了一组或若干组称量托锟，其优点使结构简单，但称量精确度较差。双杠杆多托辊式由互为对称的两组称量杠杆组成,这样的结构可以在称量过程中消除一些水平分力对称量精确度产生的误差，所以秤架性能相对稳定，称量精确度比较高。悬臂式一般专门用在短距离皮带输送机上，称量精确度较中等。而下图的悬浮式秤架相较于其他三种结构有着明显的优势。它有更长的有效称量段，称量段越长称量精度越容易达到，并且允许称量物料的重量越大。而且悬浮式的特性可以有效地克服摩擦和皮带张力对测量精度的影响。传感器是电子皮带秤的重要辅佐部件,虽然能应用的称重传感器种类多样，但目前仍是电阻应变式称重传感器的使用最为广泛。测速传感器中应用最多的使光电脉冲式测速传感器。两者共同特点都是结构型式多样、安装灵活。称重显示器主要用汉字显示。其显示器有累计和瞬时流量的显示，还能显示速度，能更好的帮助使用人员进行操作调整。2.2电子皮带秤的动态称重计量算法通常情况下，计算传输带上物料的流量需要采集物料的瞬时重量数据和传输带的瞬时速度数据。物料的瞬时重量需要连续采样或者周期采样测量传输带区段托锟所受到的压力。传输带的瞬时速度可以经过接触式和非接触式两种方式获得，再通过一定的算法来减小误差。物料的瞬时重量和传输带的瞬时速度进行运算，可以得知传输带上物料的瞬时重量和累计流量。瞬时重量为某一瞬间传送带上的物料重量，累计流量为一段时间内传送带上所通过的物料总重量。本文用来计算瞬时流量和累计流量的算法是积分法。积分法计量物料流量时，首先测量传送带上输送物料的瞬时重量q(kg/m)和相同时刻传送带的瞬时速度u(m/s)，相乘可以得到传送带上物料的瞬时流量W(t)(kg/m):Wt=qu(2-式(2-1）算出的是传输带某一时刻的瞬时流量，但传输带上的物料瞬时重量和传输带的瞬时速度都是随时间不停变化的，所以瞬时流量W（t)对时间的积分可以得出T段时间内传输带的累积物料流量W:W=0T式中q(t)——瞬时荷重值u(t)——瞬时皮带速度2.3传感器的选型用各种传感器来控制和监视生产过程的各个参数，在现代自动化生产中是不可或缺的一个步骤，这个过程可以保证设备工作在正常或最佳状态。传感器的特点是让难以测量的信号变得更易检测,称重传感器与测速传感器是电子皮带秤的信息采集过程中不可缺少的装置。电子皮带秤通过速度传感器检测皮带速度信号，通过称重传感器检测物料重量信号。下面分别对这两种传感器进行选型与分析。2.3.1称重传感器分析称重传感器负责采集皮带称的称重信号，可以按照转换原理分为电阻应变式、压电式、压磁式等类型，其中电阻应变式称重传感器使用范围最广，也最适合本实验。下面结合各自特点进行分析:（1）电阻应变式称重传感器电阻应变式压力传感器在承受外界作用力时，它内部的电阻应变片会发生机械形变，将压力信号转化为电信号，电阻阻值随之相应改变。内部通常采用电桥电路将阻值按照一定的规律转换为相应的电信号输出,电阻应变式压力传感器广泛应用于测量力矩、压力、加速度等场合。电阻应变式称重传感器主要具有频率响应快，能进行动态称重；工艺成熟；结构多种多样；测量范围宽；制造方便、成本低、体积小、寿命长等优点。（2）压电式称重传感器这种传感器是一种机械能与电能转换器件，该传感器多于动态测量场合，对于静态测量的场合适应性比较差。其原理为压电效应，他是利用某些晶体材料（常用石英）受到外部压力作用于晶体极板的表面产生电荷的特性工作的。所产生电荷量的多少与力成一定比例关系，通过该原理可最终得到力大小。压电式称重传感器需要前置放大器把高输出阻抗转换成低输出阻抗以及将传感器微弱的输出信号放大。它有响应频带宽、信噪比大、灵敏性高、结构简单、工作可靠等特点。（3）压磁式称重传感器铁磁物质在外加质量作用下使得压磁式称重传感器内部的铁磁材料的磁导系数和磁阻发生改变，从而使绕在铁心上的线圈阻抗变化，又因为线圈阻抗的变化与质量成一定比例关系。因此只要检出线圈阻抗的变化，通过相应的测量电路及换算就可以得到物料的重力信号。压磁式称重传感器具有一系列的优点，如抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、寿命长等，但它的缺点也很明显如测量精度不高、反应速度低。这种传感器通常应用在冶金、矿山、运输等领域。（4）电涡流压力传感器这种传感器是依照电涡流效应工作的，可实现非电量到电量的转换，它由固定在压力膜片上的非磁性金属导体在耦合线圈产生的高频磁场作用下产生电涡流，当传感器承受压力时，膜片变形并引起两个线圈间的磁感变化，内置电路将磁感变化转换成与该应力相对应的标准测量信号。这类传感器有诸多局限性，动态性能比较差，对电源也有特殊的要求。2.3.2测速传感器分析测速传感器用来测量皮带运行速度并将其交给单片机处理,对于恒定速度皮带输送机，其皮带速度的变化量为0.1%~0.5%，面对这样的一个变化范围，需要用皮带的速度传感器检测皮带速度。根据测速传感器的实现原理划分：主要有磁阻脉冲式和光电脉冲式两种常用类型。鉴于光电脉冲式测速传感器可靠性更高,输出的脉冲振幅稳定且与速度无关。光电脉冲式测速传感器基本工作原理为光电效应，它采用标准的输出模式,输出的是幅度稳定的方波信号，能够适用于各类工作环境。概括来讲，把速度变换成频率信号进行输出，发出一系列的脉冲。它是一种理想的速度检测装置，把皮带运行的单位长度与每个脉冲信号相关联，皮带运行的速度越快意味着其脉冲信号频率越高，否则反之。该传感器抗干扰性能佳、响应速度快，能够精确反映出现场皮带的运行状态，工作性能优异。2.4电子皮带秤称重误差原因分析由于皮带秤现场运行环境有很多不确定性，导致皮带秤秤称重误差的出现也是不可避免的。下面我对皮带秤称重过程中产生的常见误差进行分析：（1）安装误差：秤架或皮带安装位置选择不当、安装过程等引起的误差。（2）皮带张力变化：皮带的张力变化，导致皮带作用于秤体的分力发生变化，从而造成检测误差。（3）皮带跑偏：皮带跑偏引起皮带张力变化和秤体受力点变化。（4）皮带打滑或测速器阻尼轮打滑：A皮带打滑，导致联轴测速器测量速度大于实际速度。B测速器阻尼轮打滑，导致测量速度小于实际速度。（5）皮带粘附矿粉或秤体积压粉尘：皮带粘附矿粉或秤体积压粉尘,会导致毛重增大，但仍以原来的毛重计算，导致检测值大于实际值。第三章电子皮带秤硬件系统设计3.1嵌入式系统介绍嵌入式系统技术广泛应用于我们的生产生活中。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和具体应用相结合的产物，一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、操作系统、应用程序组成。3.1.1嵌入式系统组成嵌入式系统由硬件和软件组成，其软件内容只包括软件运行环境及其操作系统。硬件内容包括信号处理器、存储器、通信模块等多方面的内容。嵌入式系统的硬件和软件必须根据具体的应用任务，以功耗、成本、体积、可靠性、处理能力等为指标来进行选择。嵌入式系统的核心是系统软件和应用软件。3.1.2嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展历程大致分为四个阶段，下面依次介绍。第一阶段：嵌入式系统的发展历程较为悠久,可以说它是伴随着数字计算机的一起出现的。但早期的计算机主要器件由电子管、晶体管等组成，体积过于巨大,因此阻碍了嵌入式系统的发展脚步。早期系统以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可编程控制器形式存在,具有监测、伺服、设备指示等功能。这种系统大部分应用于各类工业控制、飞机、导弹等武器装备中。这一阶段系统的主要特点是系统结构和功能都相对单一，比较适合于各类专用领域。第二阶段:随着微处理器的出现以及并行技术、先进控制、强有力的中断系统、操作系统等技术的发展，嵌入式系统取得了快速的发展。微处理器的广泛应用为嵌入式应用市场打下了坚实的基础。这一时期系统的主要特点是计算机硬件出现了可靠性高、功率损耗低的嵌入式处理器，如PowerPC、ARM、MIPS等；同时,各类商业嵌入式操作系统开始出现并得到迅猛发展。此类嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上,兼容性好、操作系统内核小、效率高,并具备高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及丰富的用户界面等功能；具备大量的应用程序接口；开发应用程序简单、嵌入式应用软件丰富。第三阶段:得益于微电子技术快速发展，片上系统技术使嵌入式系统越来越小,功能却越来越强。随着NoC(NetworkonChip)的出现，以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益密切,嵌入式系统的网络化趋势将推动其更加快速的发展。第四阶段:随着5G技术的逐渐落地，嵌入式系统技术的发展也将追随5G的脚步，一直继续向着性能更强、功能更丰富、体积更小、操作使用更便捷、耗能更低方向发展，为人类生产生活提供便利。彻底实现人-物及物-物间的互联互通。嵌入式系统的另一个发展方向将会是向着实现智慧化、智能化的生活目标迈进。3.2主机系统总体设计本系统主要以单片机STM32F107RC为控制核心，配合外围功能器件构成电子皮带秤的硬件框架。其中外围功能器件主要有：用于提供动力的电源模块，用于提供心跳功能的时钟模块，用于程序下载和驱动调试的J-Link接口模块，用于采集重量模拟信号的A/D模块﹐用于实现速度脉冲信号采集功能的中断和片上外设RTC(RealTimeClock)模块，用于实现输出模拟控制信号的片上外设DAC和AD694模块，和用于实现人机交互功能的矩阵键盘模块和LCD液晶显示器模块等模块组成。硬件电路设计软件选择AltiumDesigner。3.2.1STM32F107RC启动模式对于STM32F107RC单片机，可以通过BOOT0和BOOT1两个引脚配置不同的启动模式。通过设置BOOT引脚的电平状态，配置STM32F107RC单片机的启动模式。本设计采用直接将BOOTO引脚接地，即将BOOTO引脚的电平拉低，选择从FLASH存储器启动单片机。3.2.2STM32F107RC的电源供应STM32F107RC单片机的主电源VDD的电压范围为2.0V-3.6V。内部的数字电源电压为1.8V，通过一个电压调节器调节得到。当VDD断电时，由备用电池为实时时钟（RTC)和备用寄存器提供电压。如果在应用中没有为之提供备用电池，VBAT引脚并不能简单的悬空处置，而是必须将其与主电源VDD相连接。3.2.3主机电路设计（1）时钟模块主频选用12MHz晶振，时钟RTC频率选用32.768KHz.（2）复位电路主芯片为低电平复位，将复位管脚NRST与电容相连后接地，也可将电容并联一个开关，用来方便调试。当上电一瞬间，电容充电将电路导通接地，将复位管脚NRST电平拉低，在电路稳定后，电容则相当于断路，复位管脚NRST保持高电平状态，单片机完成了启动并开始工作。（3）下载调试电路程序下载电路采用SWD接口电路，SWD接口包括VDD、SWCLK、SWDIO和GND四条线。3.2.4称重信号采集模块设计将模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器（简称A/D)，本设计所采用的电阻应变式称重传感器的原理是把力引起的电阻变化转换为电压变化而输出。因为电压信号为模拟量，需先被转化为数字量才能被单片机处理。本设计为了使测得数据达到高精度要求，模数转换模块采用HX711芯片。HX711是一款高精度24位A/D转换器芯片。它的优势在于其内部集成了时钟振荡器、稳压电源、以及可编程放大器等电路。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。因为内部集成有放大电路，可处理接收到的小信号，提高了测量的准确度。HX711模块电路连接如图所示，输入通道A1用来接收传感器输出的小信号，输入通道B1主要用于电池电压等系统参数的检测。对于RATE，XI和SCK等所有数字输入管脚，因芯片内部无上拉或下拉电阻，所以不应悬空。DOUT是数据输出管脚与单片机的PB12输入引脚相连，且引脚PB12不应接上拉或下拉电阻以减少电流干扰;SCK是时钟控制信号输入管脚，与单片机的PB13输出引脚相连。PNP管T1用于与片内稳压电源电路配合，提高电源稳定性。HX711芯片供电电源VDD需使用与单片机相同的数字供电电源;模拟电源（AVDD）应与传感器使用同一模拟供电电源。3.2.5速度信号采集模块设计PC827光电耦合器是常用的线性光耦器件，在比较精密的功能电路中较为常见，其主要作用是用于隔离上下级电路，从而达到两级电路相互不干扰的目的。普通光电耦合器只能传输开关量这种简单信号，不适合用于模拟信号的传输。线性光电耦合器是一种的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟信号，不同强度的输入信号会产生不同强度的光信号，使光敏晶体管导通程度也不同，输出的模拟信号的大小也随之不同。在速度信号采集模块设计中，为避免单片机受到外部信号的干扰，采用PC827光电耦合器进行信号隔离,电路连接如图所示。输入端为测速器信号和皮带运行状态信号，输出端分别与单片机的PC9、PC8引脚相连；当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了“电-光-电”的转换。测速器滚轮转动时，其内部光电编码器会产生速度脉冲信号并通过测速器信号输入端进入PC827，单片机通过PC9引脚产生的外部中断信号接收脉冲信号并通过计数器统计脉冲数，借助单片机内部RTC模块产生秒中断，来实时计算出单位时间内脉冲数，从而得出需要的实时速度。设定皮带恒速条件下，皮带运行状态为ON，皮带速度=设定值，皮带运行状态为OFF，皮带速度=0。3.2.6报警信号输出模块设计在报警信号输出模块设计中，为了上下级电路相互不产生信号干扰，同样需要PC827光电耦合器，PC827的两输入端分别与单片机的PA9、PA10引脚相连接，而输出端分别与LD、LC两端子连接，其中LD为上限报警输出端，LC为下限报警输出端，两输出端的输出电压均为+18VDC，共18V地。报警信号输出电路图如图3.2.7数据存储模块设计不仅要把采集到的数据通过液晶屏实时显示出来，还要保存起来用于以后的查阅，设计采用芯片AT24C1024作为历史数据存储器,该芯片在掉电情况下数据也不会丢失,能满足保存历史数据需要。具体电路设计如图所示。为增强单片机的驱动能力，单片机引脚PBl1、PBl0需要接上拉电阻，这样可以保证单片机对AT24C1024芯片的驱动能力。芯片引脚1、2、3、4接地，7脚低电平有效，6脚为时钟线，7脚为数据线。3.2.8键盘模块键盘这个人机交互接口在生活中很常见，被广泛应用于电子产品及控制系统中。设计一个嵌入式控制系统产品并且有功能丰富的接口，合理分配及利用有限的微控制器I/O接口资源是整个设计中需要设计人员认真权衡的一个重要环节。另外考虑到作业现场存在静电、水汽、烟尘等环境因素，在电子皮带秤主机的设计中，把4x4的矩阵薄膜键盘作为首选。在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式按键键盘相比，可节省I/O口线，提高I/O口资源利用率，实现通过8个IO口控制16个按键的效果。按键实现的功能主要包括:数据输入，数据查询，功能数据确认和修改等。其中参数设置项主要包括:日期时间，皮带速度参数，物料流量的上下限，零点标定等。矩阵键盘工作原理如图所示。3.2.9液晶显示模块设计设计所采用的LCD19264是一种图形点阵液晶显示器。可实现各种图案的显示，通过行列选择线来控制要显示内容在屏幕中的位置，采用8位并行I/O通信。设计所采用的显示器使用寿命长，连接可靠，性价比优越。该液晶显示器有以下的特性:点阵数为192×64，通过打点方式可实现各种图形的显示。包括汉字、字符、图案等的显示，一屏幕最多显示48个16×l6点阵大小的汉字。采用8位并行数据总线和5条控制总线与单片机进行数据交互，单片机通过指令加数据的方式操作显示器的输出显示。显示效果:蓝底黄字。接口方式:并口。LCD显示屏模块的电路设计如图。液晶屏驱动电压为5V，需要将其接到5V电源上才能正常工作。3.2.10模拟信号输出模块设计AD694是一款电压-电流转换器(D/I转换器)芯片，它适合要求以抗干扰方式传输4-20mA信号，用它代替工业过程控制、工厂自动化和系统监控等各种应用中的分立设计，可以提高抗干扰性，降低功耗，降低成本，提高设备整体运行稳定性。在该模块设计中选用了AD694这款芯片作为D/I转换器,与单片机内部集成的数字模拟转换器(DACO)配合使用，实现了把单片机内部的物料流量量程数字信号以对应的4-20mA电流信号的形式输出，其中物料流量为下限时输出4mA，物料流量为上限时输出20mA。此D/I转换器支持+4.5V~+36V宽电源电压范围，设计采用了18V的供电电压，其中VS为电源引脚。独立模拟信号输出模块电路图如图所示。3.2.11主机电路原理图主机电路是以ARM单片机为核心的电路。包括STM32嵌入式单片机、称重传感器信号放大与数据采集、D/A输出及调理、速度传感器信号采集、LCD显示、DI和DO信号等。设计的系统电路原理图如图所示。3.2.12电源供电模块设计电源设计中把220V交流电源转换成24V直流电源。D2为保护电路的二极管，D3为发光二极管用作指示灯。STM32F107RC的供电电压为3.3V，考虑到LDO线性稳压芯片AMS1117-3.3（U5）的输入电压范围是4.75V到12V，故先将24V直流电源经78M12（U4）稳压管稳压得到12V再通过线性调节得到3.3V直流稳压电源。其中C15为输入电容，作用是防止断电后出现电压倒置；C16、Cl7为输出滤波电容，作用是抑制自激振荡和稳定输出电压。经7805（U7）稳压管得到5V直流电源用于给LCD液晶显示器提供电源;其中18V直流稳压电源由7818（U9）稳压器稳压得到，用于向D/I转换器AD694、测速器和报警信号提供稳定电源。本系统的电源模块供电设计电路图如图所示:第四章主机系统软件设计4.1软件开发环境嵌入式系统软件设计经常使用语言有C语言及汇编语言，后者主要用在一些对性能要求苛刻的场景中，比如涉及到内存操作、中断处理等场合。C语言容易在不同平台之间移植、易于学习、性能高，成为了嵌入式系统开发领域中最受欢迎的语言。软件开发环境的统一利于一个团队的协作，开发过程中还会涉及到一些辅助开发软件比如串口调试助手，网络调试工具等。4.2主要设计工作流程软件设计工作主要围绕几个核心任务展开，核心任务包括称重传感器信号采集任务、速度传感器信号采集任务、按键扫描任务、显示控制任务，其中显示控制任务主要负责实时数据的显示、历史数据查询和参数设置等功能的实现。主要任务调度流程图如图所示。4.3系统初始化流程设计任务在运行前需要做一些初始化工作，包括看门狗初始化，系统时钟的配置，用户IO初始化，定时器和中断初始化，LCD初始化，A/D、DIA初始化及启动看门狗。系统初始化流程图如图所示。4.4称重信号采集驱动设计从A/D转换器数据输出时序图中可知，其支持A、B两个模拟差分输入通道，通道A支持64倍和128倍两种可编程增益，两种增益支持的输入电压范围分别是±20mV与±40mV，而通道B仅支持32倍一种增益，支持的输入电压范围为±80mV。由于称重传感器输出的电压信号较小，故选择通道A的128倍增益较合适。第24个时钟脉冲之后的一到三个脉冲是用来设置A/D转换器的输入通道和增益，单片机通过时钟线向A/D转换器输入的脉冲总数应严格限制在25~27范围内,否则串口通讯将可能出现意想不到的BUG。设置输入通道或增益后，需跳过4个数据输出周期内输出的无效数据。HX711数据输出时序图如图所示。MCU与该芯片的通信原理分析如下:A/D转换器HX711芯片通过时钟线控制数据线输出数据。根据电阻应变式称重传感器输出的信号比较微弱的特点，设计选择使用A输入通道的128倍增益，将传感器的电压信号放大128倍后，经A/D转换后以24位二进制数序列的形式输出，单片机可按时序依次将24bit数据读出。接收数据原理是:首先拉低时钟信号线电平，同时不停的检测数据线管脚的电平状态，当检测到数据线管脚的电平为低时，说明此时可以准备接收来自A/D转换器的输出数据了，此时可在时钟线下降沿读取数据，当接收数据动作来到第24个时钟脉冲下降沿时，标志此次数据输出完成，可准备进行下一次数据的读取动作。HX711采样流程图如图所示。4.5速度信号采集模块测速传感器通过其内部的齿轮比和光电信号相结合,将所测的实际长度以脉冲的形式输出，借助单片机内部RTC模块产生秒中断，来实时计算出单位时间内脉冲数，从而得出需要的实时速度。4.6LCD显示驱动程序设计设计的智能型电子皮带秤采用LCD19264图形点阵液晶显示器,显示器可以显示12*4个汉字，也可完成图形、字符的显示，可以通过主板中的电位器调节其亮度和对比度。液晶屏在上电初始化后会进入实时数据显示界面，通过功能按键可以进行参数设置，功能设置及查看历史数据信息。根据液晶屏的读写操作时序图可编写相应的驱动程序。操作液晶屏的具体流程如图所示。4.7矩阵键盘驱动程序设计矩阵键盘驱动设计采用行列扫描的方式获取按键的位置,矩阵键盘的4根行线对应的GPIO口均设为输出，4跟列线对应的GPIO口均设为输入，首先对矩阵键盘的行全部输出低电平,扫描全部列引脚﹐若第一次扫描列引脚时出现低电平引脚(即有按键按下)时，可延时10ms再次操作上述步骤进行验证用于消除抖动，避免对一次按键产生多次误读，造成多次误操作;在确定有按键按下后，依次对矩阵键盘的各行输出低电平，当对某一行输出低电平时，扫描列引脚对应的电平值用于确定具体的按键位置。接着调用对应的按键处理子程序实现按键的业务逻辑处理。按键操作流程图如图所示。4.8RTC实时时钟驱动程序设计由于RTC模块和时钟配置系统（RCC_BDCR寄存器)位于后备区域，即在系统复位或从待机模式唤醒后，RTC的设置和时间维持不变。故上电初始化后，首先读取配置标志寄存器（BKP_DR1）的值判断是否是第一次配置，若是，则具体配置流程如图所示。若不是第一次配置则可直接跳过时钟配置动作。4.9数据存储模块驱动程序设计Inter-IntegratedCircuitBus简称I2CBus，由Philips公司推出，是一种采用串行数据传输方式并用于集成电路中器件间的数据通信协议。I2C总线的含义是:完成集成电路或功能单元之间信息交换的规范或协议。I2C协议非常适合集成电路之间的通信，I2C是芯片间和芯片内低/中带宽数据传输最常用的串行协议。I2C总线协议仅使用数据线(SDA)和时钟线(SCL)两条线实现器件之间的数据通信功能。设计采用I2C总线协议实现单片机向数据存储芯片AT24C1024写入数据以及从芯片读取数据，I2C驱动设计采用IO模拟方式实现，方便移植。AT24CXX系列的器件地址高四位固定为1010，接下来是A2、A1、AO需根据器件连接来决定具体值，因为在原理图中将此三个引脚均接地，所以是000，最低位为读写选择位，值取1时从芯片读数据，O时则是向芯片写入数据。I2C总线读写数据的时序图如图4.9所示。根据时序图编写相应的驱动程序。4.10数字滤波程序设计信号的采集现场环境复杂而多变，真实信号中会混入多种未知的噪声。为了减小现场恶劣作业环境对采样数据的干扰，就需要对采集数据进行校正。本文使用的数字滤波技术是一种利用软件对采集到的数据进行剔除干扰的方法。数字滤波方式实现更方便、灵活，由于不需要硬件设备，因而可靠性高，稳定性好。数字滤波器可以对频率很低（如0.01Hz）的信号进行滤波，在本次电子皮带秤主机设计中，采用数字滤波技术先对A/D转换器采集到的信号数据进行滤波处理，然后在利用滤波处理后的数据进行业务逻辑处理。数字滤波算法选择的好坏将会影