项目十一 智能电子秤 - 任务一

《传感器应用》主讲教师：XXX

项目十一智能电子秤PART11※称重传感器的选型与检测※电子秤语音播报11项目概述某公司发现智能电子秤市场上没有一款适合盲人使用的产品，大多数为显示器显示为有语音播报功能，这给盲人使用电子称带来很多不方便，小林是公司的产品研发工程师需要开发出一个语音播报功能的智能电子秤。使用树莓派开发套件编写程序调试实现上述功能，便于后续产品的研发。认识称重传感器的工作原理和检测方法01认识HX711数模转换器02学习目标objective技能目标objective掌握使用Python获得称重传感器数据的方法01掌握Python语言实现语言播报02TASKONE任务一称重传感器的选型与检测4任务概述储备知识任务实施任务目标231本次任务：在掌握称重传感器的原理，认识HX711数模转换器。任务概述4任务概述储备知识任务实施任务目标231TASKONE任务一称重传感器的选型与检测01.了解称重传感器的工作原理和类型02.了解电磁继电器的检测方法任务目标03.掌握电磁继电器的接线方法04.掌握Python程序通过继电器开关双色灯4任务概述储备知识任务实施任务目标231TASKONE任务一称重传感器的选型与检测01.称重传感器的定义储备知识02.称重传感器的基本工作原理03.称重传感器的选用04.称重传感器的测试05.数模转换器06.采集数据实现流程01.称重传感器的定义均应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。随着技术的进步，由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置。以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制。后来混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等。1.1.基本概念称重传感器（一种称量重量的装置）它与普通的称重器不一样，它是将物体的重量信号或者压力信号转换成电信号，通过电信号向人们显示物体重量的一种称重器。称重传感器的使用要充分考虑使用环境是否适合，不良的使用环境会影响它的工作。1.2.称重传感器类别以转换方法来划分有8类，其中电阻应变式使用最广。电阻应变式振动式陀螺仪式光电式液压式电磁力式电容式磁极变形式目前，称重传感器种类繁多，对应的分类方式也是多种多样。0102030401压式02拉式04梁式03拉压式以受理方式来划分有4个010203以弹性材料来划分——不锈钢主要应用于：食品化工等场所合金钢主要应用于：腐蚀性场所铝合金主要应用于：量程小、价格低的市场以外形结构来分有——以外形结构来分有柱式梁式模拟传感器：输出模拟信号，如电流、电压等数字传感器输出数字信号以公斤或吨等。总之每个类型都各有特点，使用起来也不尽相同。1.3.平行梁称重传感器本次实验选择了结构简单量程为5kg的平行梁称重传感器。01电子秤02厨房电子秤03快递电子秤在实验上述日常使用场景下，一般选用这种双孔悬臂平行梁应变式称重传感器。它有着精度高、易加工、建构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高等优点，其外观如右图。作为典型的应变式力传感器的受力工作原理如下图它主要是把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形变时，应变片产生相应的应变，转换成电阻变化。将应变片接成如右图所示的电桥，力引起的电阻变化将转换为测量电路中的电压变化，通过测量输出电压的数值，在通过换算即可得到所测量物体的重量。需要注意的是：该称重传感器的形变量是很微小的，在安装和使用过程中要特别注意，不能超载。如果在外力撤除之后不能回复到原形状，即发生了塑性变形，则传感器就已经损坏了。此外，传感器有四根线连接外电路红线：电源正极输入01黑线：电源负极输入02白线：信号输出103绿线：信号出204为了保证精度，一般情况下请不要随意调整线长。02.称重传感器的基本工作原理称重传感器核心：利用了当金属电阻受外力作用而伸缩时，其电阻值就会在某一范围内发生增减的物理特性。实现过程只要物体被安置在传感器上，传感器的弹性体就会由于受到物体的压力而变形。在开始称重时会引起它表面的电阻应变片跟着变形，电阻应变片的变形则导致它的阻值改变。在弹性体变形时阻值的增大或减小数值就会经由检测电路转变成电信号，从而就可以显示出物体的重量。在电阻应变片阻值改变时这样整个称重就完成了(应变，就是尺寸的变化)。通过以上步骤，我们可以发现称重传感器包含了三个重要组成部位01弹性体02电阻应变片03检测电路弹性体的作用很直接首先它要感知外界物体的作用力，并要利用反作用力来承受这个物体的作用力。接着它要引起电阻应变片的变化以使整个称重进行下去;电阻应变片是一个传承部件，它将弹性体对它的作用力转化成阻值的变化。因此检测电路要有强大的抗干扰性，保证信号转换不会受到周围环境的影响，这样才能确保称重的准确性。再把这种变化信息传递给下一步，电阻应变片的组成其实就是一根电阻丝和一个有机材料基座，电阻丝的伸长可以引起电阻的变化;检测电路也起到了很关键的作用。称重传感器其实在称重领域应用很广泛，重量太大难以称量的物体很多都可以用称重传感器来称量。例如对高速公路上的卡车进行称量，现在高速公路上都会建有一个称重桥，称重桥上安装称重传感器，这样只要卡车行驶到称重桥上就可以对其进行称重，检测它是否存在超重问题，这样既使称重工作变得简单，也不会影响其他车辆通行。随着科技的发展，称重传感器也在不断改善，相信它的应用领域会越来越广。03.称重传感器的选用1可依据最大称量选择称重传感器。一般来说，实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称物体外，还存在秤体自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷，因此选用传感器量程时，要考虑诸多方面的因素，保证传感器的安全和寿命。弹性体的作用很直接2可根据所需精度选择传感器。称重传感器的准确度等级包括其非线形、蠕变、蠕变恢复、滞后、重复性、灵敏度等技术指标。在选用传感器的时候，不要单纯追求高等级的传感器，而既要考虑满足电子秤的准确度要求，又要考虑其成本。3满足仪表输入的要求。称重显示仪表是对传感器的输出信号经过放大、A/D转换等处理之后才能显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于仪表要求的输入信号大小，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和仪表的匹配公式，计算结果必须大于或等于仪表要求的输入灵敏度。04.称重传感器的测试4.1.称重传感器的故障现象因传感器故障造成称量系统故障的现象归纳起来主要表现为空载或称重过程中，显示数据不稳定、跳变。零位漂移。加载后无显示。空载时显示数据过大，称重误差大。称重后称无法回零。重复性变差、线性、灵敏度差。4.2.称重传感器故障常用检测方法切断工作电源，逐个将传感器的输出、输入线拆开，若用万用表测量输出、输入阻抗和信号电芯与屏蔽层的绝缘性能（测量电阻值）下降，即可判断出该传感器有故障。阻抗判断法有时传感器损坏，但阻抗并没有很大变化，如果是采用阻抗法将无法检测出传感器的好坏，可采用此法作进一步地检测。给仪表送电后，逐个将传感器的输出线拆掉，需要注意的是在拆线过程中要特别小心操作以防触电，且不可将输出线与输入激励线短路，在空载情况下，用万用表直流mV档测其输出线的mV值。假定额定激励电压为U(V)传感器的灵敏度为M(mV/V)，传感器载荷重量为K(kg)，传感器的额定容量为F(kg)，则每只传感器输出电压应为：U×M×K/F(mV)。输出信号判断法同一衡器同型号的传感器在无载荷情况下其输出mv值基本一致。若超出计算值或传感器的额定输出且输出不稳定，即可判断该只传感器有故障。05.数模转换器5.1.HX711数模转换器由于该实验需要达到1g的精度，这就要求模块输出位数至少为10位（2^10=1024），那么8位的PCF8591则无法胜任，因为它的精度只有2^8=256。而HX711是24位的A/D模块，正符合要求。称重传感器获得的数据需要通过A/D数模转换模块才能在树莓派上得到所要的数据。在第三章的学习中我们已经认识了PCF8591HX711一款专为高精度称重传感器而设计的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。响应速度快集成度高抗干扰性强HX711的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。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A［通道B通道A可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B为固定的32增益，用于系统参数检测。与其内部的低噪声可编程放大器相连。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。其内部结构如下图：芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。使用SOP-16封装的管脚说明图如下HX711支持可以两路的模拟信号输入。模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。通道A通道B为固定的32增益，所对应的满量程差分输入电压为±80mV。通道B应用于包括电池在内的系统参数检测。（由于测重模块并不是很敏感，即使被测量物体重量变化很大的情况下模拟信号输出的电压或者电流信号仍然太小，导致AD难以采集，所以需要增益到AD可以采集的程度。所谓的增益就是对要采样的模拟信号进行了放大，如：输入1mV,放大64，就是64mV了。）通道B在本次实验时我们用的是A通道128增益。HX711的串口通讯线由管脚PD_SCK和DOUT组成，用来输出数据，选择输入通道和增益。表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD_SCK应为低电平。当数据输出管脚DOUT为高电平时PD_SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲。当DOUT从高电平变低电平后其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲完成，24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益，参见下表：06.采集数据实现流程设置PD_SCK为0使能AD等待A/D转换结束，即等待DOUT输入为0PD_SCK发送1个脉冲，同时读取1位DOUT输入信号，一共循环执行24次，即读取24位信号PD_SCK发送第25个脉冲因为128增益4任务概述储备知识任务实施任务目标231TASKONE任务一称重传感器的选型与检测07.测量手机的重量任务实施07.测量手机的重量任务所需软件如下所示：VNC-Viewer环境准备任务所需硬件如下所示：树莓派4BHX711承重传感器7.1.根据引脚说明和连线图连接设备（1）各设备对应接口如以下表说明树莓派T型转接板HX711GPIO21GPIO5DOUTGPIO22GPIO6PD_SDKGNDGNDDC-5V5V0DC+HX711称重传感器E+红线E-黑线A-白线A+绿线（2）如图所示，使用杜邦线将树莓派连接面包板后的GPIO与HX711模块连接起来，由板载的5V为模块供电。图：树莓派模块连接图7.2.Python程序实现检测传感器步骤1：打开mu开发环境，新建Python文件（1）开启树莓派电源->打开“VNC-Viewer”软件连接树莓派->输入IP地址->用户名密码。（2）连接成功后，在点击左上方【树莓派】图标->选择【编程】->点击打开【mu】软件。图：打开PythonIDE（3）打开“mu”软件，软件界面后如图所示：图：mu软件界面（4）单击“mu”软件界面上的按钮，新建一个名为“relay.py”的Python文件，保存在“/home/pi/mu_code”目录下。步骤2：编写和验证代码#-*-coding:utf-8-*-#支持中文注释importRPi.GPIOasGPIOimporttimeGPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setup(6,GPIO.OUT)GPIO.setup(5,GPIO.IN)def

get_weight():GPIO.output(6,0)value=0

while(GPIO.input(5)):

pass

forxin

range(24):GPIO.output(6,1)GPIO.output(6,0)value<<=1value|=GPIO.input(5)GPIO.output(6,1)time.sleep(0.01)GPIO.output(6,0)If(value&0x00800000):value=-(value&0x800000)+(value&0x7fffff)value=value/480

returnvaluedef

get_average():weight_list=[]total=0num=1

forxin

range(10):weight_list+=[get_weight()]weight_list.sort()

while(num<len(weight_list)-1):total=total+weight_list[num]num+=1average=total/8

returnaveragetare=get_average()print("获得平均毛重")while(1):shiwu_weight=get_average()-tare

ifshiwu_weight<1:

print("已经准备好，等待测量！")

continue

else:

print("实物重量是：",int(shiwu_weight),"g")time.sleep(0.01)（2）单击“mu”软件界面上的按钮，执行代码，烧写到树莓派板上，观察Python控制台的输出信息，例如图所示。现在，你会听到嘀嗒声，那是常闭端口打开，常开端口闭合的声音。代码详解（1）这3句代码作为初始化，分别设置GPIO的BCM模式，T型板转接板上的6号引脚设置为输出模式。5号引脚为输入模式。GPIO.setmode(GPIO.BCM)GPIO.setup(6,GPIO.OUT)GPIO.setup

(5,GPIO.IN)（2）为自定义名称为get_weight()函数用来获取hx711的数据，可以理解为其的驱动函数。表示把hx711的PD_SCK设为低电平，让AD使能。defget_weight():GPIO.output(6,0)一直等待直到DOUT的输入为0时开始接收数据。表示执行24次循环，即获取24位信息。在当前的循环体中表示在每次的循环过程中PD_SCK发送一次脉冲信号，为让获得的value值向左移1位，同时通过为最低位获取DOUT的一位输入数据，循环结束后value里存放了获得的24位数据。之后的是PD_SCK发送第25位脉冲。value|=GPIO.input(5)GPIO.output(6,1)GPIO.output(6,0)forxinrange(24):while(GPIO.input(5)):passvalue<<=1GPIO.output(6,1)GPIO.output(6,0)

判断获得的数据是否为负数，如果是负数求其原码，把获得的数据除以修正量，注意不同设备的修正量是不一样的，当前设备为480。value=-(value&0x800000)+(value&0x7fffff)If(value&0x00800000):value=value/480（3）为定义一个自定义函数求10次测量值得平均值，表示定义一个名字为weight_list的列表来存放10次的测量结果。