電子秤stm32源代碼-2016年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計論文

摘要：該系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103RC為控制核心，由電阻應(yīng)變式稱重傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號，采用 HX711 內(nèi)部自帶的差分集成運(yùn)算放大器將微弱的電壓信號放大后送人 HX711 內(nèi)部的24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器將此模擬電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，輸送給單片機(jī)。由單片機(jī)對該數(shù)值處理后得到實際重量及控制相應(yīng)附加功能，最后通過 LCD12864 液晶屏進(jìn)行相應(yīng)的顯示。

本課題所采用的電路簡單，算法合理。經(jīng)過實際制作和測試，完全達(dá)到了題目基本部分和發(fā)揮部分的所有要求，效果很好

方案一：采用 51 作為控制核心。51 單片機(jī)主頻為 12M，擁有三十二個 I/O 引腳，8Kflash 程序

存儲空間，256 byte RAM ，三個定時器，三個計數(shù)器，五個中斷源，價格低廉，但其運(yùn)行速度較慢，

無內(nèi)部 SRAM 等。

方案二：采用 STM32，其具有 512Kflash 程序存儲空間，主頻 72M，三個定時器，四個外部中

斷，內(nèi)部 RTC 等，內(nèi)置高速存儲器。在運(yùn)算速度和存儲容量上滿足要求，豐富的外設(shè)也簡化了系統(tǒng)

的硬件設(shè)計。

方案選擇：本系統(tǒng)采取 STM32F103RC 控制器。ARM32 系列比 89c52 單片機(jī)具有更強(qiáng)大的控制

功能、更快的運(yùn)行速度，可更快捷地進(jìn)行高精度的測量。因此綜合考慮選擇STM32F103RC 作為控

制部件。

方案一：將放大后的信號輸入 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC2573 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，由于此芯片可直接用于

數(shù)字顯示，故轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量直接用數(shù)碼管等顯示器進(jìn)行顯示。此方案的優(yōu)點是外部電路非常簡單，

能實現(xiàn)較高的精度。缺點是無法對 A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制，同時需要前置放大電路。其方案如圖 1 所示。

前置放大電路

TLC2573數(shù)碼管顯示A/D轉(zhuǎn)換

圖 1   TLC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路框圖

方案二：將放大后的信號輸入到 HX711 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將得到的數(shù)字信號送至單片機(jī)進(jìn)行處

理后送入 LCD12864 液晶顯示。此方案的優(yōu)點是可控制性好，可通過軟件的編程實現(xiàn)放大倍數(shù)選擇，

且電路簡單，液晶的硬件電路也比數(shù)碼管的簡單，且技術(shù)領(lǐng)先于數(shù)碼管，可顯示的內(nèi)容豐富。采用

單片機(jī)對數(shù)據(jù)稍加處理，即能通過軟件在一定程度上彌補(bǔ)與調(diào)節(jié)硬件電路所無法避免的數(shù)據(jù)抖動，

使最終所測得的數(shù)據(jù)更可靠、參考性更強(qiáng)，且其內(nèi)部集成差分運(yùn)放，使得電路比較簡單。其方案圖

如圖 2 所示。

綜合考慮，本次設(shè)計選擇方案二。

方案一：采用半橋式接法。這種方法線性度、準(zhǔn)確性很高,使用簡單,適用于大多數(shù)測量，但是抗

干擾性不高，原理圖如圖 3 所示。

方案二：采用全橋式接法。全橋式能兼容半橋式接法的優(yōu)點，即是準(zhǔn)確性，線性度高。但它比

半橋接法的抗干擾性更強(qiáng)，原理圖如圖 4 所示。

圖 3  半橋接法                                                                     圖 4 全橋接法

形變量傳感模

按鍵輸入模塊                      蜂鳴器模塊

塊

系統(tǒng)供電

圖 5   系統(tǒng)框圖

如上所示，系統(tǒng)由以下主要模塊構(gòu)成：

Ø 形變量傳感模塊：負(fù)責(zé)將鐵質(zhì)懸臂梁的形變信號轉(zhuǎn)化成電信號。

Ø  信號采集放大以及 A/D 轉(zhuǎn)換模塊：將微弱的電信號進(jìn)行放大處理并將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

Ø  主控模塊：主控采用 STM32F103RCT6，使用它實現(xiàn)輸入輸出控制，數(shù)據(jù)處理等功能。

Ø  顯示模塊：采用 LCD12864 來顯示重量，單價總價等關(guān)鍵信息。

2

Ø 按鍵模塊：通過按鍵來進(jìn)行功能的選擇，以及輸入電子秤所需要的關(guān)鍵信息。

Ø  蜂鳴器模塊：當(dāng)按鍵按下后通過模塊發(fā)出聲音來提示此按鍵已經(jīng)按下，防止用戶誤使用。

國家標(biāo)準(zhǔn)中電阻應(yīng)變片的阻值規(guī)定為 60、120、120、200、350、500、1000。應(yīng)變片阻值越大，

則其相同形變量時得到的電壓值就越大，即精度越高，綜合考慮成本與實際要求本次選用的應(yīng)變片

為 350Ω。

電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片、電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，

當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）受到拉伸或壓縮而變形后，它的阻值將發(fā)

生變化（增大或減小），從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號，供后續(xù)電路測量和處理。電阻

應(yīng)變式傳感器測量原理如圖 6 所示。

圖 6   電阻應(yīng)變式傳感器測量原理

當(dāng)垂直正壓力 P 作用于梁上時，梁產(chǎn)

生形變，電阻應(yīng)變片 R1、R3 受壓彎拉伸，

阻值增加；R2、R4 受壓縮，阻值減小。

電橋失去平衡，產(chǎn)生不平衡電壓，不平衡

電壓與作用在傳感器上的載荷 P 成正比，

從而將非電量轉(zhuǎn)化成電量輸出。

R1、R2、R3 和R4 組成惠更斯電橋，

將兩對電阻應(yīng)變片的阻值變化轉(zhuǎn)變成輸

出電壓，其工作原理圖如圖 4 所示。

圖 7     HX711 外部管腳圖

HX711與后端 MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動。輸入選擇開關(guān)可

任意選取通道 A 或通道 B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A 的可編程增益為 128 或

64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV 或±40mV。通道 B 則為固定的 32 增益，用于

系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系

統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復(fù)位功能簡化了

開機(jī)的初始化過程。其外部管腳如圖 7 所示。

電阻應(yīng)變傳感器在懸臂梁上發(fā)生形變的過程中電阻變化非常小，這樣小的電阻變化用一般測量

電阻的儀表很難測出，必須用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變化，

才能用二次儀表顯示出來，在電阻應(yīng)變式稱重傳感器中，通過橋式電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的

變化，電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理框圖如圖 8。

圖 8電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理框圖

本次設(shè)計采用了 HX711 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部集成了差動放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成

了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路。

圖 9 為 HX711 芯片應(yīng)用于

電子秤的電路圖。該方案使用

內(nèi)部時鐘振蕩器(XI=0)，電源

（2.7～5.5V）直接取用與 MCU

芯片相同的供電電源。通道 A

與傳感器相連，通道 B 通過片

外分壓電阻與電池相連，用于

檢測電池電壓。

圖 9   HX711 電子秤應(yīng)用電路圖

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STM32是意法半導(dǎo)體推

出 的   32    位 基 于    ARM

Cortex-M3 核心的帶 512K 字

節(jié)閃存的微控制器。其具有

最高 72MHz 的工作頻率，擁

有 512K 的閃存程序存儲器，

高達(dá) 64K 的 SRAM，擁有并

行 LCD 接口（兼容 8080/6800

模式），3 個 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換

器，4 個 16 位定時器，2.0-3.6

伏供電，具有 VBAT 為 RTC

和后備寄存器供電。其最小

系統(tǒng)電路圖如圖 10 所示。

圖 10   STM32最小系統(tǒng)

12864 內(nèi)置8192 個 16*16 點漢字，和 128 個

16*8 點 ASCII 字符集.利用該模塊靈活的接口方式

和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互

圖形界面�？梢燥@示 8×4 行 16×16 點 陣的漢字. 也

可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。

由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣

液晶 顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序

都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣

的圖形液晶模塊。其電路圖如圖 11 所示。                              圖 11 液晶顯示接口電路

系統(tǒng)利用蜂鳴器進(jìn)行提示，從而使得系統(tǒng)操作更加友好，通過 4*5 按鍵進(jìn)行輸入，矩陣鍵盤能

夠節(jié)省更多 IO 口。其電路圖如圖 12、13 所示。

圖 12 矩陣鍵盤圖                                                                                            圖 13 蜂鳴器電路

程序經(jīng)過各個模塊初始化后分時處

理重量取值與顯示和按鍵處理。其流程圖

如圖 13 所示。

HX711 與單片機(jī)采用類似與IIC 的方

式通訊，所用到的數(shù)據(jù)線為 SCK 與 DO，

需要讀值時發(fā)送 25-26 個時鐘脈沖啟動，

之后就可進(jìn)行讀值，時鐘信號默認(rèn)為低電

平。其流程圖如 14 所示。

我們將 flash 用于存儲單價以及校準(zhǔn)

后的分度值，將此功能作為本次題目的擴(kuò)

展部分。flash 即 STM32 的程序存儲器，

我們選擇將分度值存儲在 100K 開始的位

置，而將單價存儲在 96K 開始的位置，流

程圖如圖 15 所示。

開始

發(fā)送啟動脈沖

讀取返回值

釋放總線

累加ad值

按下存單價按鍵

Y

調(diào)用寫flash函數(shù)存儲

結(jié)束

圖 14   flash存儲流程圖

結(jié)束

圖 15   HX711程序處理流程圖

使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行標(biāo)定，然后測量相應(yīng)的砝碼值。

由于懸臂梁的形變和重物的實際變化量并非對應(yīng)嚴(yán)格的線性變化，即是同一個分度值在不同質(zhì)

量的重物值的擬合情況不同，所以要采用分段測試分度值來修正線性的變化誤差，讓懸臂梁的形變

和重物的質(zhì)量成一個嚴(yán)格的線性關(guān)系。

本系統(tǒng)測試是采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼來測試 AD 值，砝碼從 0 克變化到 50 克，記錄對應(yīng)的 AD 值，最后

利用 Orignpro 繪制坐標(biāo)圖來分析擬合關(guān)系，確定分度區(qū)間，并設(shè)置相應(yīng)分度值，將對應(yīng)關(guān)系加到程

序中修訂。

當(dāng)分度值確定后再重新對重量值進(jìn)行測試，以確定誤差范圍。

通過 0-500g 范圍內(nèi)測量三次從而求得誤差的平均值。

經(jīng)過擬合，其擬合出來的函數(shù)關(guān)系為 y=0.23122x-7476.4，該圖僅為一個 0-50g 的測試圖，而其

余分度值依次求值即可。

B

圖 16 AD 分度值擬合結(jié)果

誤差測量結(jié)果如表 1 所示

由以上表格可知，本作品的精度完全能達(dá)到題目的要求。但是每次測試的值會產(chǎn)生一個波動。

波動的來源于有幾方面，首先是托盤的震動，托盤震動會使懸臂梁產(chǎn)生動態(tài)的形變從而使顯示值產(chǎn)

生變化。其次鐵質(zhì)懸臂梁不能嚴(yán)格恢復(fù)形變也會使值產(chǎn)生波動。這種誤差是不能避免的，只能通過

函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小誤差。

根據(jù)題目要求，經(jīng)過 4 天 3 夜的艱苦奮斗，最終完成了題目的所有要求，并做了相應(yīng)擴(kuò)展，具

體功能如下。

[1]  吳光杰，傳感器與檢測技術(shù)，重慶大學(xué)出版社，2011.7

[2]  龔運(yùn)新.，單片機(jī) C 語言開發(fā)技術(shù)，北京：清華大學(xué)出版社，2006.10

[3]  歐陽駿，瘋狂 STM32 實戰(zhàn)講學(xué)錄，中國水利水電出版社，2013.12

[4]  謝龍漢，魯力.Altium Designer 原理圖與 PCB 設(shè)計及仿真，北京：電子工業(yè)出版社，2011.

實物圖（見附件）

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