电子体重秤系统的研究与设计大学论文.docx

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电子体重秤系统的研究与设计大学论文

太原科技大学

毕业设计

设计题目：

电子体重秤系统的研究与设计

姓名

学院（系）电子信息工程学院

专业测控技术与仪器

年级2011

指导教师

2015年6月

摘要

体重秤存在的最古老证据来源于印度河流域，至今大概有4000多年的历史。

随着社会逐渐发展，人类的物质生活水平逐渐提高，越来越多的人因体重过高而患上高血压，高血脂等疾病，因此能实时了解自己的体重情况是生活中一件很重要的事。

称重能及时发现自己体重健康状况，从而控制自己的体重，避免因肥胖而患上疾病。

当前市场上已有各式各样的体重秤，它们能实现称重的目的，但是部分体重秤存在一些问题，比如称量精度较低、比较耗电、可称量的范围较小、不能被一部分体重特殊的人群使用等问题。

基于这种现状，本文提出一种简易的体重秤研究与设计方法，使人们花费很少的价格就能买到一款精度较高、响应速度快的体重秤。

本设计采用四个相同的金属丝式应变片作为压力传感器，实现将被测重量转化为电阻的变化量，再将电阻的变化量转换为模拟电压的变化量，之后采用四臂全桥接线法的方式作为测量电路，并且将测到的模拟电压值接入HX711这款芯片，经过该芯片的电压信号放大和AD装换后用STM32单片机来采集数据并处理，最后通过LCD液晶屏显示出来。

整个设计完成了量程为5kg~150kg，显示精度为0.1kg的高精度体重秤，而且能快速实时的显示体重，达到了商业衡器的精度，满足了实际生活中的基本称重需求，实现本设计的目的。

关键词：

重量，金属丝式应变片，压力传感器，HX711芯片，STM32单片机

ABSTRACT

TheoldestevidenceoftheexistenceofscalesfromtheIndianRiver,hasabout4,000yearsofhistory.Withtheprogressivedevelopmentofsociety,people'smateriallivingstandardsgraduallyimproved,moreandmorepeoplewereoverweightandsufferingfromhighbloodpressure,highcholesterolandotherdiseases,sotheycanunderstandtheirownbodyweightinreal-timesituationsissomethingveryimportantinlifething.Weighingcanfindthehealthoftheirweighttocontroltheirweight,toavoidsufferingfromthediseaseofobesity.Thecurrentmarkethasawiderangeofscales,theycanachievethepurposeofweight,buttherearesomeproblemsportionsscales,suchaslowerweighingaccuracy,morepower,smallerweighingrangecannotbepartoftheweightofspecialpeopletouseandotherissues.Basedonthissituation,weproposeasimpleweightscaleresearchanddesignmethodstomakepeoplespendverylittlepriceyoucanbuyahighprecision,fastresponsescales.Thisdesignusesthesamefourwirestraingaugesaspressuresensors,themeasuredweightintoresistancevariation,thentheamountofchangeinresistanceisconvertedtoananalogvoltagevariation,followedbyafour-armfullbridgewiringmethodwayasthemeasuringcircuit,andtheanalogvoltagevalues​​measuredaccessHX711chipthroughthechipvoltagesignalamplificationandADwithSTM32microcontrollertocollectdataexchangeandaftertheinstallationprocess,andfinallythroughtheLCDscreendisplay.Thewholedesigncompleterangeof5KG~150KG,showinganaccuracyof0.1KGprecisionscales,andreal-timedisplayofweightquickly,reachingcommercialweighingaccuracy,tomeetthereal-lifeneedsofbasicweighingtoachievethisdesignpurposes.

Keywords:

Weight,Wirestraingages,PressureSensors,HX711chip,STM32microcontroller

第1章绪论

1.1课题背景及意义

称量器具的出现来源已久，从公元前2300年前到公元前1600年的印度河平原就已出现，地点在今天的巴基斯坦境内，在此之前，体重秤的使用没有被考证。

古时候的很多国家都有自己的称重工具，在古埃及，称重的工具大概可以追溯到公元前1869年，后来自从达芬奇改良了体重称，真正的体重秤才算是诞生，中国古代也比较重视质量的称重。

作为一种称量手段，称量的系统应用于各种行业，在各个国家的经济发展发挥着重要的作用。

随着社会的发展，人们的生活水平逐渐改善，人们的体重普遍增长，这也导致人们患上了很多疾病，比如高血压，高血脂，血管硬化等疾病。

越来越多的人将控制体重变为生活中一件非常重要的事，因而体重秤的应用也十分普遍。

比如医院、药店、甚至商城等都有体重称，这种环境对于人们及时了解自己的体重，并且改善自己的生活习惯起到了很好的效果。

当前体重秤种类较多，部分体重秤有着明显的缺点。

首先，对于目前的大多数体重秤来说，精度都偏低，有些体重秤误差能够达到1kg。

其次，现在市场在售的体重秤测量的范围较小，一般的体重秤最大量程不到100kg，最小有效称量也要10kg。

而且目前很多体重秤使用一段时间后精度变低。

鉴于这种状况，本文设计的体重秤有较高精度，能够显示最小0.1kg的灵敏度，并且量程从5kg到150kg，能满足绝大多数人群使用，而且本次设计的电子称能够长时间保持较高的精度不变。

1.2体重秤的研究现状及发展趋势

目前，体重秤的发展可谓百家争鸣，每个厂商都有自己的品牌与特点，体重秤一般分为机械式和电子式两种，鉴于目前状态下电子称成本相对较低，并且准确性较高，所以市面上绝大多数都是电子体重秤，因为其种类繁多，涉及的人群较广，受到世界各个国家所重视，为保护广大消费者的权益，各国也制定了相应的标准。

体重秤的发展随着电子芯片的发展，逐年更新换代，再加上社会的需求逐渐增大，目前市场上流通的体重秤虽然功能齐全，价格便宜，但是也有自身的一些缺点，比如精度不高，称量范围较小，例如宿舍买的品奥牌的体重秤，只有超过10kg以上的重量才能准确显示，并且显示精度在1kg以内，误差较大。

还有很多体重秤随着使用时间的延长而精度变得越来越低，称量较小体重时误差很大，而且耗电量特别大，比如森花牌的体重秤，插入的五号电池用不了多久就需要更换，因此也导致了使用的不便，这些情况便是目前待解决的问题。

未来，在体重秤的发展方向上，体重秤一定会朝着这五个方向发展，依次有小型化、模块化、智能化、集成化、多功能化。

其技术性能趋向是速度快，稳定性高，可靠性高，以及准确性较高，其功能趋向是称重计量的的控制信息和其他功能的信息并重的“智能化”功能，其应用趋向是组合性和综合性，比如加上身高测量，血压监测，胖瘦检测和体重状况记录等其它实用的功能。

1.3本文的主要研究方向

经过前文已经了解到体重秤的现状及未来的发展方向，面对未来，体重秤必须朝着更好的方向发展，所以本设计即为改善当前体重秤的不足而努力。

首先，本系统采用了金属丝式应变片压力传感器，价格便宜，精度较高，能获取一定精度的电压数据。

其次，因为获取的电压值较低，必须经过电压放大后才能进行AD转换，所以须经过电压放大这个环节。

再次，处理器只能处理数字信号，而传感器采集到的信号是模拟电压信号，所以还要经过模数转换。

最后，数据才能交给单片机处理，并通过LCD液晶屏幕显示。

本文第一章介绍了体重秤的背景、意义、和发展趋势，准确的把握体重秤的发展前景和详细的分析了体重秤的现状。

第二章主要描述了整个体重秤设计的思路和步骤，对整个流程进行总体分析。

第三章主要介绍了每个硬件的选型以及使用，第四章概括了软件的编写和组成，以及核心代码的展示。

第五章主要描述了调试结果以及遇到的问题和解决问题的思路历程。

第六章描述了所获得的成果以及对未来的展望。

整个结构为递进结构，从最初的传感器介绍，到传感器采集数据，信号放大处理，信号AD转换，最后经过单片机处理并通过LCD液晶屏幕显示，整个过程紧凑，分布进行，让人容易理解。

最后完成一个精度较高，性能可靠，反应速度快的智能体重测量系统。

第2章电子体重秤的设计思路

当需要去完成一个设计时，就需要去绘制一个总体流程图，把这个流程图分成不同的模块，比如软件模块、硬件模块、以及相互的结合模块，然后去逐一实现。

如果这样做，每次遇到问题就可以快速的找出是哪个模块的问题，这样利于解决问题，并且能加快设计的完成，下面是整个设计的流程及具体模块分析。

2.1总体流程图

要想制作一个体重计，首先得制作一个面板，人们踩在面板上，面板下方放着压力传感器，将压力信号转换为电压信号，然后使电压值放大到零伏至五伏之间，再经过AD转换，输入到STM32单片机，经过一定算法处理后通过STM32输出，并用LCD液晶屏显示出来，要求精确度在0.1kg以内，并且体重数据实时显示，完成整个过程便可以获得一个精确的体重测量系统，整个流程如下图所示：

液晶屏显示

处理器

AD转换

电压放大

压力传感器

图2.1体重秤设计流程

2.2硬件部分

本节详细的说明了本次设计需要的硬件种类，选择此硬件的原因，该硬件的优点，并综合各方面条件对硬件进行取舍。

2.2.1体重秤面板

要制作体重秤，面板必不可少，必须要有人站在上面称量，将重力转换为电压值，才能够为后面的数据处理打下基础。

因为需要称重较大重量，所以必须要求面板有足够的承重力。

当然也可以将受力分散，最好的办法就是增大接触面积，这样可以减少压力，对面板的工艺要求可以放低。

目前市面上体重称的面板一般是玻璃制品，因为价格较低，其次是玻璃制品外观好看并且相对牢固，因此日常使用中不会轻易损坏。

本次设计的体重称最大承重为150kg，而且最低称重5kg，由于市场上的不容易单买到合适的玻璃面板，本次设计采用了一块较厚的木板作为面板，它能满足本设计的使用要求。

2.2.2传感器

压力传感器需要有一定的范围精度和承重量，因为人的体重在一个范围内，有些人很轻，如小孩和儿童，他们只需要十几千克甚至几千克，而有的人体重很重，有的达到一百千克以上，人体重的差距导致在制造体重秤时需要考虑不同体重之间压力的变化。

因此压力传感器需要承受最大150kg的重量，如达不到这个重量则有可能较重的人站上去就损坏了压力传感器，这样体重秤就不能再用来使用。

另一方面还需要能精确称量最小5kg的物体。

除此之外，还要求采集到的电压值能达到1mv以上，这样便于进行AD转换，为最终得到精确的体重数据值做好铺垫。

2.2.3电压放大和AD转换芯片

因为压力传感器受到重力的作用带来了微小电压的变化，要把微小的电压变成为单片机能处理的数字量，需要经过电压放大，电压的放大的倍数需要有一个确定的范围，因为如果电压放大的倍数不够，就不能进行较为精确的AD转换，因而单片机获得的数据也不准确。

如果要有较为精确的AD转换数据，AD转换芯片的位数需要更高，此时才能得到准确的采集数据，否则便不满足要求。

考虑到上面的需求，本次的传感器选择了电压放大和AD转换为一体的芯片，它便是海芯科技较为出色的芯片HX711。

HX711有24位高精度数据采集的能力，其内部集成稳压电源，自带片内时钟振荡器等其他外部电路需要的电路，它有电压放大功能，可选128倍、64倍、以及32倍电压信号放大器，并且具有稳定和反应速度快的特点，另一方面还有价格较低等因素而被广泛使用。

2.2.4处理器

处理器的选择有很多种，比如51单片机，AVR单片机，MSP430单片机，以及飞思卡尔单片机，STM32单片机等。

由于种类繁多，必须要综合选择一下。

首先，必须要有较低的功耗，其次要运行速度快，再有就是价格低，基本要求主要就是这三个方面。

经过综合研究和对比，本次设计选择了意法半导体的STM32单片机，它满足前面的这几个要求，并且有较高的主频，因此本次设计选择STM32单片机来的完成设计。

2.2.5显示器

单片机的显示器件主要有数码管和液晶显示器，各有自己的优点，数码管显示耗电较高，但是显示效果较为清晰，同时编程较为简单。

而LED液晶显示屏显示效果没有设么突出，价格稍贵，但是它可以显示字符，同时显示速度相对较快。

由于体重秤应用较为广泛，特别经常应用于医院、药店、商场等环境，对它的电量消耗较为重视，而数码管显示需要较高的耗电量，同时LCD液晶显示屏有耗电低，显示速度以及较好的显示效果，所以本次设计选择LCD液晶显示屏作为体重秤的显示器件。

2.3软件流程图

本文用的是STM32单片机来处理数据，所以在软件编程时需要做很多准备工作，首先必须安装一个STM32开发工具，本次设计选择的是Keil4，安装完Keil4后就开始创建本次设计需要的工程文件，创建工程需要配置很多步骤，在此不做具体陈述，网上可以找到很多关于此步的资料。

其次是编写本次设计的数据采集和AD放大芯片的驱动程序，即编写HX711的驱动程序，然后编写获得毛坯的数据和编写获得体重值的程序，随后输入到STM32核心处理。

最后编写LCD液晶屏的程序，并通过LCD液晶屏显示体重数据。

在主函数里面编写出所有需要调用的函数以及函数的初始化，并将它们综合起来组成一个系统。

下图是软件编写的流程图：

图2.2软件设计主要流程图

第3章系统设计与硬件选型

经过前面的思路分析与总体设计，已了解到每一步需要实现的功能，以及每一步的要求，所以接下来必须经过实物选择和整个称重系统的设计，最后合并成为一个合格的系统，能准确的称量人的体重。

3.1金属丝式应变片的结构和受力分析

因为应变片压力传感器是采集数据的主要工具，所以必须详细了解应变片的结构和受力分析以及采集数据的原理，以下即为详细分析。

3.1.1金属丝应变片压力传感器的结构

金属丝式应变片压力传感器主要有四部分组成：

包括应变片、金属导线、压头和压板。

以下是压力传感器的拆解图：

（a）拆解前（b）拆解后

（c）去除焊线（d）应变片局部放大

图3.1压力传感器机械结构图

3.1.2压力传感器的受力分析

压力传感器的受力分析用下图表示，当压头受力时，压板两侧形成相反的剪切力，使应变片的电阻变化从而引起加在上面的电压变化，最终是重量转化为电压量。

图3.2压力传感器受力作用图

3.1.3应变片受力后电阻变化原理

由学过物理知识可知，金属导线的电阻值R与其长度L成正比，与其截面积A成反比，若设金属导线的电阻率为

，则用公式表示为

（3-1）

当金属导线由于受到其轴向的拉力而长度发生变化时，其电阻值理论上也要随着长度的变化而发生改变，这种现象称之为导线的受力—电阻变化的性质。

为了更好的解释这种现象的发生，可将公式（3-1）取对数同时微分，便得

（3-2）

公式中

为金属导线长度的相对变化，可用ε表示，即

（3-3）

为导线横截面积的相对变化，设导线直径为D，则

（3-4）

公式中

为导线材料的泊松比。

将公式（3-1）和公式（3-2）代入式（3.3）即可得到

（3-5）

式（3-5）表明，当金属导线受力而变形后，由于其几何尺寸和电阻率同时发生微小变化，从而使其电阻也随之而发生变化。

我们可以设想，如若将金属电阻式应变片黏贴到其他构件表面上，当构件发生形变时，金属电阻应变片也将随之而发生变化，利用金属式电阻应变片的的应变效应就可将金属构件表面的应变量直接转化为电阻值的相对变化量。

电阻应变片就是利用这一原理制成的应变敏感元件。

若令

（3-6）

则式（3-5）写成

（3-7）

KS为金属式电阻应变片的灵敏系数，它象征着该应变片对所受力变化的灵敏系数，由公式（3-7）我们可以的到，这个系数随着导线材料的变化而变化，同时又和所受环境的温度和它变形后电阻率的改变而产生变化，理想状态下的灵敏系数希望与应变片受力的变化之间为线性关系，因此希望KS变量为常数，经过大量的实验及其很多次实物制作的研究结果表明，百分之九十以上的金属电阻的电阻变化率和应变受力之间的关系呈线性关系的，在金属应变片的弹性范围内灵敏度（1+2u）一般为1.4到1.8之间。

3.1.4全桥电路

本次设计因为采用的是四个50KG的金属丝应变片压力传感器，这四个传感器通过并联的方式进行连接，得到的电路为四个应变片的四臂全桥电路。

总共引出4根线，有两根分别是5V电压线和接地线，另外两根作为模拟电压正负输出线，整个流程随着压力的变化引起电阻变化并导致电压变化，然后通过引线引入电压放大芯片，再经过AD转换后交给处理器处理并用LCD显示屏显示出来。

3.2电压放大和AD转换芯片

前一步得出了微小的电压，因为单片机只能处理0伏到5伏的电压，所以必须把得到的电压放大，最后在AD转换交给处理器处理，通过查询和筛选了一系列的芯片，最终找到一块芯片HX711，HX711接线如下图所示。

图3.3传感器与HX711模块连接图

对于这块芯片有以下一系列优点，在此我们直接引用海芯官方给出的资料有

（1）两路可选择差分输入；

（2）片内低噪声可编程放大器，可选增益为32,64和128；

（3）片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源；

（4）片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟；

（5）上电自动复位电路；

（6）简单的数字控制和串口通讯：

所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程；

（7）同步抑制50Hz和60Hz的电源干扰；

（8）耗电量（含稳压电源电路）：

典型工作电流：

<1.6mA,断电电流：

<1µA；

（9）工作电压范围：

2.6~5.5V；

（10）工作温度范围：

-40~+85℃；

（11）管脚的SOP-16封装；

（12）可选择10Hz或80Hz的输出数据速率；

等十二条优点以作说明。

3.3处理器选择

对于处理器的选择，经过多方面查资料发现STM32比较适合，下图是STM32F103开发板的实物图。

图3.4STM32F103开发板

下面介绍STM32的优势，具体有以下几点:

（1）ARM最新的Cortex-M3内核。

优先级抢占的中断控制器，支持中断自动嵌套，硬件完成现场保护与恢复，中断嵌套时，只需保护和恢复一次现场，即使在恢复现场的时候再次中断也不需要再次保护现场，只需6个clk的调整时间。

（2）居然只需7个滤波电容就能构成最小系统；

（3）外设的引脚居然可以重影射；

（4）RAM居然可以通过位绑定技术按位来访问；

（5）居然装备了可编程的掉电监测器；

（6）居然有带电池供电的数据备份寄存器；

（7）芯片进入低功耗模式后可以通过“事件”唤醒，而无须执行中断子程序；

（8）定时器居然有前置的倍频器；

（9）2个12位的AD却拥有高达1M的采样速率，AD模式更是天花乱坠，传说中的注入模式……；

（10）GPIO刷新速率可设定，支持位的原子操作，还能锁定方向，居然还有个脚叫“入侵检测引脚”，发生“入侵”时硬件自动记录时间，只要有后备电池。

为西门子保留了单脉冲的输出功能（据说用于PLC的）……；

（11）原来还有一种狗叫模拟看门狗……；

（12）可检测PWM脉宽和频率（硬件直接支持）；

（13）集成电机控制和霍尔接口；

（14）原来还有一种狗叫窗口看门狗……过早或过晚喂狗，狗都会让系统复位；

（15）还集成了第三只狗，独立看门狗，这种狗比较常见；

（16）SPI还带硬件的CRC校验高达18Mb/s的通讯速度；

（17）支持两个设备地址的I2C总线，据说任天堂的游戏机常用到这种功能，I2C同时支持SMBUS2.0和PMBUS模式；

（18）USART速度高达4.5Mbps，不仅支持IrDA还与接触式的IC卡协议兼容；

（19）还有CAN，USB……。

3.4显示器选择

经过比对和研究，本次设计选择了LCD液晶屏进行显示。

该款芯片的型号为YB1602A，它具有三态总线输出，共阴极的数码管，还有缓冲控制输入等优点，显示效果明显，能够实现实时显示，对于体重的变化能够做出快速反应。

YB1602A是一种字符型液晶模块。

共可以显示2行×16个字符，每个字符是由5×8点阵组成的字符块集。

字符型液晶显示模块由字符型液晶显示屏（LCD），控制驱动主芯片SPLC780C及其扩展驱动芯片SPLC1OO，配以少量外围阻﹑容元件结构件等装配在PCB板上而成。

YB1602A采用COB工艺制作，结构稳定，使用寿命长。

YB1602A应用于智能仪器仪表﹑通讯﹑办公自动化以及军工领域。

第4章软件的编写和组成

本次毕业设计采用Keil4作为编程开发工具，并且采用了HX711作为数据采集芯片。

首先需要对该芯片编写一个驱动程序，同时还要对于采集的信号进行滤波，并且中间还需要一个算法进行数据处理，最终通过数码管显示出来的才是体重的真实数据，下面主要介绍软件编写的方法及过程。

4.1编程方法

STM32来自于意法半导体公司的主推芯片，所以该公司直接编写了一个硬件库，里面包含了各种功能库的使用例子和详细介绍，需要使用时可以直接调用已经编写好的的函数。

本次设计采用的是模块化编程方法，把每一个模块单独分开，分别编写，并测试模块的正确与否，必须保证每