TI杯天津市电子设计竞赛三等奖.docx

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TI杯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5.00g~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；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。

KinetisL系列微控制器吸取了ARM

Corte系列微控制器的卓越能效和易用性，而且体现了Kinetis32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

Α=3*w*（d-a/2-β）/E*b*h^3

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

β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350.4±0.1Ω

灵敏系数：

2.10±10%,基本尺寸：

长×宽=8.2×4.6（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。

3.1.2MKL26Z256VLL4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

否

是

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/g

10

20

40

50

80

90

电压/mV

267

308

392

436

565

608

显示重量与实际重量的比较，如表2所示

表2

实际重量/g

10

20

40

50

80

90

显示重量/g

9.67

19.91

39.92

50.34

80.50

90.52

检测复位功能效果，如表3所示

表3

实际重量／g

　１０

　２０

　　５０

　　１２０

显示重量／ｇ

　０.４５

０.５７

　０.２３

　　０.６７

4.2.2测试分析与结论

综合比较表1、表2和表３，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ＫＬ２６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ｋｌ２６单片机各管脚及函数应用了如指掌，并对ＳＴＭ３２、　　　Ａｒｄｕｉｎｏ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备经验不足，没有实现对物品单价的精确输入。

相信在以后的学习中我们会再接再厉，掌握更多的技能。

6.参考文献

[1]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:

清华大学出版社,2012

[2]刘火良.STM32库开发实验指南.机械工业出版社，2013.5

[3]传感器与检测技术.周乐挺高等教育出版《传感器应用技术》王煜东

[4]电子技术基础模拟部分（第五版）.康华光.高等教育出版社

[5]传感器应用电路300例，孙余凯吴铭山项绮明.电子工业出版社