简易电子秤论文G题.docx

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简易电子秤论文G题

2016全国大学生电子设计竞赛设计报告

简易电子秤（G题）

2016年7月25日

摘要

本系统以STM32F103ZET6最小系统板为核心，利用电位计进行数据采集，根据悬臂梁的机械形变通过粘贴上的电阻应变片和半桥电路作为称重传感系统。

将传感器的电位信号通过A/D数模转换送给单片机，经过计算并通过液晶显示屏显示得到质量的值，另加按键一起实现人机交互功能，最后实验表明，本系统达到了题目功能要求。

关键词：

STM32F103ZET6最小系统板半桥电路A/D数模转换电阻应变片简易电子秤

Abstract：

Thesystemstm32f103zet6minimumsystemboardasthecore,thepotentiometerisusedfordataacquisition,accordingtomechanicaldeformationofthecantileverbeamthroughthepasteontheresistancestraingaugeandahalfbridgecircuitasweighingsensorsystem.ThepotentialofthesensorsignalthroughtheA/DconversionaresenttoMCU,throughcalculationandthroughtheLCDscreendisplaysthevalueofquality,plusbuttontogethertoachievehuman-computerinteractionfunction.Attheendoftheexperimentshowthatthesystemachievedthefunctionproblemofrequirements

目 录 

1设计任务与要求................................................1 

1.1设计任务..................................................1

1.2设计要求..................................................1

2系统方案......................................................1

2.1电源的论证与选择..........................................1

2.2电路模块的论证与选择......................................1

2.3系统控制模块论证与选择....................................1

2.4显示模块论证与选择........................................2

3系统理论分析与计算............................................2

3.1系统机械结构..............................................2

3.2应变片直流电桥电路分析....................................3

3.3A/D数模转换的分析........................................3

4系统软件设计..................................................3

4.1系统框架图................................................4

4.2程序清单..................................................5

5测试方案与测试结果............................................5

5.1测试方案...................................................5

5.1.1硬件测试...............................................5

5.1.2软件仿真测试...........................................5

5.1.3硬件软件联调...........................................5

5.2测试条件与仪器...............................................5

5.3测试结果及分析...............................................5

5.3.1测试数据..............................................6

6结论和总结.....................................................6

6.1对设计的小结...............................................6

6.2设计收获体会.................................................6

6.3对设计进一步完善的建议.......................................6

附录1源程序....................................................6

附录2电路图....................................................6

1设计任务与要求

1.1设计任务

设计并制作一个以电阻应变片为称重传感器的简易电子秤，电子秤的结构如右图所示。

如右图所示，铁质悬臂梁固定在支架上，支架高度不大于40cm，支架及秤盘的形状与材质不限。

悬臂梁上粘贴电阻应变片作为称重传感器。

1.2设计要求

（1）电子秤可以数字显示被称物体的重量，单位克（g）；

（2）电子秤称重范围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；

（3）电子秤可以设置单价（元/克），可计算物品金额并实现金额累加；

（4）电子秤具有去皮功能，去皮范围不超过100g；

（5）其他

（6）设计报告

2系统方案

本系统主要由电源模块、电路称重传感模块、系统控制模块、显示模块组成，下面分别论证这几个模块的抉择。

2.1电源的论证与选择

方案一：

直接使用电池组供电，该电源随着使用电压不稳。

方案二：

采用开关电源效率高，但是需要购买，且比较贵。

方案三：

自行设计稳压电源模块给系统各部分供电，由于各稳压芯片不贵，而且电压可调，做好滤波设计，使用效果也不错。

综合以上三种方案，选择方案三。

2.2电路模块的论证与选择

方案一：

直流单臂电桥输出电路，电路中一个应变片参与测量，其精度不高

方案二：

如果2个应变片同时参与测量,则称为半桥测量，差动电桥消除了非线性误差,灵敏度比单臂电桥提高了1倍。

方案三：

让4个桥臂都由应变片组成,即为全桥测量。

全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4倍,减小了非线性误差，但操作难度较高。

综合以上三种方案，选择方案二。

2.3控制系统的论证与选择

方案一：

选用AT89C52单片机，8位的单片机处理速度有些慢。

方案二：

选用STM32F103ZET6型单片机，该单片机是32位单片机，计算速度快，内部集成A/D转换电路，比较方便。

综合以上二种方案，选择方案二。

2.4 显示模块的论证与选择

方案一：

使用上位机观看数据，需要数据通信设置，比较麻烦。

方案二：

使用1602液晶显示，但是显示的位数有限，只能显示３２个数字或字符，不能显示汉字。

方案三：

使用TFT液晶屏显示，能显示汉字和图像，能显示的数据量大。

合综以上三种方案，选择方案三。

3系统理论分析与计算

3.1系统机械结构

当有重物放在托盘中时，电阻应变片跟随悬臂梁发生形变而产生电阻变化，电桥电路中电压输出因而产生变化，用A/D转化成相应的数据。

图2

3.2应变片直流电桥测量分析

图3

采用差动电桥是消除非线性误差影响的有效措施,将2个工作应变片接入电桥的相邻臂,并使它们1个受拉,另1个受压,半桥差动电桥电路的输出电压为差动电桥消除了非线性误差,灵敏度比单臂电桥提高了1倍。

电压的计算公式为：

3.3A/D数模转换的分析

采用并行转换ADC是一种直接的模数转换方式。

由于不用逐次比较，它对N位数据不是转换N次，而是转换一次。

这种转换器的结构原理如图。

图4

4系统软件设计

4.1系统总体框架图

如图

4.2程序清单（见附录）

5测试方案与测试结果

5.1测试方案

1、硬件测试 

稳压电源的波形测试，比较稳定，符合要求，称重传感系统输出信号基本没有受影响，显示屏显示正常，只要不在电位计盲区。

2、软件仿真测试 

通过keil5软件在线调试，程序编译正确，执行正常。

延时等子程序符合要求。

3、硬件软件联调 

通过串口将程序下载至单片机中，打开单片机电源开关，系统能够较顺利完成基本和发挥部分。

5.2 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，模拟示波器，数字示波器，数字万用表。

5.3测试结果及分析

电压值（V）

0.132

0.184

0.233

0.251

0.357

0.387

0.391

ADC值

556

1556

1889

2779

3556

3899

4086

质量（g）

35

103

253

301

388

432

500

图5

通过测试电压值与质量成线性关系，整个系统精度较高，基本满足题目指标要求。

6结论和总结

6.1对设计的小结

此简易电子秤系统装置，总体结构简洁、大方，底座等材料还属于废品重新利用，符合可持续发展的环保道路，而且其构造稳固，有利于系统性能的发挥。

检测出来的数据显示，其总体性能比较好，机械性能不错，如果经济允许，换上更加优质的元器件，其性能会更加完美。

6.2设计收获体会

通过这次比赛，我们收获匪浅。

学到了很多全新的知识，比如A/D数模转换，更加深了解了STM32F103ZET6最小系统板的使用和性能；在制作的过程中遇到了很多困难，但我们相互安慰、鼓励，从不言弃，努力找出原因、突破难点，一步一步走向目的地；最重要的是这四天三夜的奋战曾强了我们的合作精神，促进了我们的友谊！

6.3对设计进一步完善的建议

1、部分材料可能可以选取更轻便的材料。

2、部分结构可以合并到一起，减少工艺结构。

3、如果经济允许，可以换上性能更加好的元器件。

4、机械结构的构架和稳定性待加强。

附录1源程序

附录2电路图