TI邀請(qǐng)賽簡(jiǎn)易電子秤(B題)

1、2012年年TI杯杯模模擬擬電電子子系系統(tǒng)統(tǒng)專專題題邀邀請(qǐng)請(qǐng)賽賽報(bào)報(bào)告告 29 隊(duì)隊(duì) 簡(jiǎn)易電子秤（簡(jiǎn)易電子秤（B 題）題）摘要：摘要：本設(shè)計(jì)以 TI 的 MSP430FR5739 單片機(jī)為核心并使用現(xiàn)場(chǎng)所提供的電阻應(yīng)變片稱重傳感器、運(yùn)算放大器等器件，設(shè)計(jì)并制作一款簡(jiǎn)易電子秤，完成題目所要求的 10200g 范圍的稱重和去皮、計(jì)價(jià)等顯示功能并達(dá)到高精度顯示的要求。同時(shí)具有休眠等低功耗的系統(tǒng)工作模式，且完成了題目要求的“喚醒”功能。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：簡(jiǎn)易 高精度 休眠 低功耗 喚醒放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換處理器鍵 盤液晶顯示傳感器1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ： 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)簡(jiǎn)易電子秤，系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變片稱重

2、傳感器作為系統(tǒng)傳感器，其中采樣信號(hào)從傳感器綠色和白色信號(hào)線傳出作為放大器的輸入信號(hào)，放大器由兩片 INA333 級(jí)聯(lián)構(gòu)成，信號(hào)經(jīng)放大器放大到合適的幅度后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳送給處理器，最終將處理過的數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)由液晶顯示。 圖 1 系統(tǒng)整體方案2、實(shí)現(xiàn)方案：、實(shí)現(xiàn)方案：本系統(tǒng)要求利用所提供的電阻應(yīng)變片稱重傳感器、運(yùn)算放大器等器件，設(shè)計(jì)并制作一款簡(jiǎn)易電子秤。題目要求以數(shù)字方式穩(wěn)定地顯示被測(cè)物體重量；稱重范圍為 10200g，并且在全稱重范圍內(nèi)稱重精度優(yōu)于 1%，盡量提高稱重精度；根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)可以分為信號(hào)采集模塊，信號(hào)放大模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，處理器模塊，液晶顯示模塊，和鍵盤輸入模塊。一、信號(hào)采

3、集模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)采集模塊使用的是電阻應(yīng)變片稱重傳感器，此傳感器共有四根線，分別為紅、白、綠、黑。其中紅線接電源正，白線接地，綠線和黑線都為信號(hào)線，當(dāng)電阻應(yīng)變片稱重傳感器式傳感器感受到的壓力不同時(shí)，綠線和黑線兩根信號(hào)線會(huì)傳出不同的信號(hào)，通過對(duì)信號(hào)的放大，分析和處理得出電阻應(yīng)變片稱重傳感器上面受到的壓力。二、信號(hào)放大模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)信號(hào)由電阻應(yīng)變片稱重傳感器產(chǎn)生，由于傳感器產(chǎn)生的信號(hào)幅度很小，不利于分析，因此用信號(hào)放大器將信號(hào)放大后再進(jìn)行分析和處理。在放大器的制作過程中，選用 INA333 做放大元件，選用 OPA734 做減法器來抑制零點(diǎn)漂移。最后用 RC 濾波器做濾波，得到穩(wěn)定精確的數(shù)據(jù)。三

4、、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)題目要求，系統(tǒng)在全稱重范圍內(nèi)稱重精度優(yōu)于 1%，并盡量提高稱重精度；并且在實(shí)現(xiàn)計(jì)算價(jià)格功能方面，要求系統(tǒng)可以顯示最大金額為 999.9 元，并且金額誤差不大于 0.1 元；由此可知，系統(tǒng)所需 A/D 位數(shù)應(yīng)該高于 12 位，因此設(shè)計(jì)時(shí)選用 16 位 ADS1114 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。四、液晶顯示模塊，題目要求系統(tǒng)低功耗，所以在顯示方面我們選擇了超低功耗的 NOKIA5110顯示屏提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示。該顯示屏在關(guān)閉背光模式下可以低功耗正常工作。3、電路設(shè)計(jì)與原理圖：、電路設(shè)計(jì)與原理圖：一、過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)在電子設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)電壓過大燒毀電路的情況，為了防止此類事故發(fā)生，在設(shè)

5、計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，設(shè)計(jì)了過壓保護(hù)電路，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的過壓保護(hù)臨界點(diǎn)的時(shí)候，電路自動(dòng)斷路，防止電壓過達(dá)燒壞后級(jí)電路。具體電路如圖2 所示，當(dāng)電壓達(dá)到 10v 時(shí)，LM311 會(huì)使 8050 三極管導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)繼電器，電壓自動(dòng)關(guān)閉，選用二極管 IN4007 的作用為續(xù)流二極管，通過此電路設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期有效安全的工作。 圖 2 過壓保護(hù)電路二、信號(hào)采集模塊電路實(shí)際信號(hào)采集模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，其中 R1、R2、R3、R4 分別是應(yīng)變電阻，A、B、C、D 分別為四個(gè)電阻的連接點(diǎn)，其中，A 點(diǎn)和 C 點(diǎn)與電源連接，B 點(diǎn)與 D 點(diǎn)為信號(hào)輸出端，當(dāng)應(yīng)變片電阻受到的壓力不同時(shí)，電阻的阻

6、值會(huì)發(fā)生變化，從而 B 點(diǎn)和 D 點(diǎn)的輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過后級(jí)的放大和處理，從而分析出應(yīng)變片電阻所受壓力大小，完成信號(hào)采集、處理功能。 圖 3 應(yīng)變片電阻傳感器內(nèi)部電路三、信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)在信號(hào)放大的過程中，使用 INA333 做為信號(hào)放大器，如圖 4 所示，其中利用 R1、R2 和 R3、R4 分壓分別獲得基準(zhǔn)電壓，利用 OPA2530 做電壓緩沖，OPA734 通過減法運(yùn)算，抑制了零點(diǎn)漂移。最后利用 RC 濾波器濾去系統(tǒng)產(chǎn)生的紋波，使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確的信號(hào)。 圖 4 信號(hào)放大電路原理圖四、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路:在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)，單片機(jī)無法直接讀取它的數(shù)值是多少，

7、所以需要一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)采用的是型號(hào)為 ADS1114 的 A/D 芯片，這款芯片是具有內(nèi)部基準(zhǔn)的超小型、低功耗、16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ABCDF 圖 5 ADS1114 應(yīng)用電路原理圖五、核心控制電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的單片機(jī)是由 TI 提供的 MSP430FR5739，具體原理圖如圖 6 所示。 圖 6 MSP430FR57394、系統(tǒng)校準(zhǔn)方法、系統(tǒng)校準(zhǔn)方法:020040060080010001200140016001800200010g30g50g70g90g110g130g150g170g190g系列1在對(duì)電子稱的測(cè)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)電子秤稱得的數(shù)據(jù)與電子稱

8、上所放砝碼不滿足嚴(yán)格的線性關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，在一定小范圍內(nèi)電子秤的線性度較好，因此我們使用分段線性插值的方法，線性運(yùn)算鎖定在電子秤量程的若干小部分。雖然在整個(gè)量程范圍內(nèi)，電子秤傳感器的線性度不是很好，但是在量程范圍內(nèi)某個(gè)小的區(qū)間內(nèi)，電子秤傳感器的線性度還是很好的。在具體操作過程中我們把電子秤的量程平均分為 19 分，由此我們得到 19 個(gè)區(qū)間，然后通過測(cè)試測(cè)得每個(gè)區(qū)間邊緣處的電壓值，當(dāng)測(cè)得電壓值在這個(gè)區(qū)間時(shí)，我們利用線性關(guān)系直接算出這點(diǎn)的電壓值，從而得出這點(diǎn)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量值，通過以上處理，對(duì)電子秤的非線性性進(jìn)行了補(bǔ)償，使系統(tǒng)在測(cè)量范圍內(nèi)得到的數(shù)據(jù)滿足精度要求。 圖 7 砝碼質(zhì)量與相關(guān)電壓擬合圖5、稱

9、重測(cè)試數(shù)據(jù)、稱重測(cè)試數(shù)據(jù)一、測(cè)試工具：Agilent U1272 萬用表MSO-X 3054A 示波器學(xué)生模擬電源砝碼二、測(cè)試方法測(cè)試任務(wù)一：電壓保護(hù)電路測(cè)試啟動(dòng)系統(tǒng)，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，將學(xué)生電源電壓增大，在測(cè)試時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)電壓大于 10v 時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)斷電保護(hù)電路，這一操作驗(yàn)證了系統(tǒng)可以自動(dòng)斷電保護(hù)的功能測(cè)試任務(wù)二：稱重穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試啟動(dòng)系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)用鑷子在電子秤頭盤上放置任意質(zhì)量的砝碼，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄的這段時(shí)間就是系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。在測(cè)試過程中，進(jìn)行了多次測(cè)量，然后取平均值作為系統(tǒng)穩(wěn)定所需的時(shí)間砝碼質(zhì)量10g20g30g40g50g60g7

10、0g80g90g100g穩(wěn)定時(shí)間4s4s3s2.5s4s3.5s3s4s2.5s4s砝碼質(zhì)量110g120g130g140g150g160g170g180g190g200g穩(wěn)定時(shí)間3s3s3.5s4s4s3s3.5s4s3s4s 表 1 穩(wěn)定時(shí)間與砝碼質(zhì)量關(guān)系表測(cè)試任務(wù)三：稱重精確度測(cè)試啟動(dòng)系統(tǒng)，用鑷子在電子秤托盤上一次放置 10g、20g、 、 、200g 砝碼，記錄每次放置砝碼時(shí)系統(tǒng)顯示屏的讀數(shù)，如表 2 所示，觀察并分析可以知道，在測(cè)量范圍內(nèi)系統(tǒng)的稱重精度優(yōu)于 1%，滿足題目要求。 砝碼質(zhì)量10g20g30g40g50g60g70g80g90g100g稱重質(zhì)量10.05g20.06g30

11、.06g39.94g50.12g60.16g70.20g80.16g90.05g100.05g砝碼質(zhì)量110g120g130g140g150g160g170g180g190g200g稱重質(zhì)量110.96g120.12g130.96g139.90g150.48g160.16g169.96g180.02g190.04g199.94g 表二 稱重質(zhì)量與砝碼質(zhì)量關(guān)系表測(cè)試任務(wù)四：去皮功能測(cè)試啟動(dòng)系統(tǒng)，在電子秤托盤上放置任意砝碼作為皮，通過按鍵輸入去皮功能指令。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)去皮置零，在繼續(xù)放置砝碼時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在零的基礎(chǔ)上稱量出后放砝碼的質(zhì)量，在計(jì)算系統(tǒng)金額的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)略去去皮的質(zhì)量，在實(shí)際測(cè)試的時(shí)候，可

12、以重新設(shè)定“零”重量點(diǎn)，滿足題目要求。測(cè)試任務(wù)五：金額與金額精確度測(cè)試啟動(dòng)系統(tǒng)，在電子秤托盤上放置任意砝碼，穩(wěn)定后通過按鍵輸入金額計(jì)算指令與單價(jià)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出金額總值。在誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)金額誤差控制在 0.1 元以下，滿足題目要求。測(cè)試任務(wù)六：休眠“低功耗”功能測(cè)試啟動(dòng)系統(tǒng)，在電子秤托盤上放置 10200g 任意質(zhì)量砝碼，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，如果系統(tǒng)在 20s 時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，則說明系統(tǒng)具有低功耗功能，在實(shí)際測(cè)試時(shí)我們可以看到，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定 20s 時(shí)系統(tǒng)的顯示屏幕會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)此時(shí)進(jìn)入了低功耗狀態(tài)，由此可以驗(yàn)證系統(tǒng)具有低功耗功能。 6、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序流程圖圖 8

13、 程序流程圖7、參考文獻(xiàn)、參考文獻(xiàn)1 曹磊著；MSP430 單片機(jī) C 程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2007.72 譚浩強(qiáng)著；C 語言程序設(shè)計(jì)(第四版).北京：清華大學(xué)出版社.2010.6附錄：程序代碼（部分）：void Delay_ms(unsigned int);void Delay_us(unsigned int);#include msp430fr5739.h#include Nokia5110.h#include ADS1115_I2C.h#include ADS1115.h#define key_scan P3OUT#define key_read (P1IN &

14、amp; 0 x0f)unsigned char Key_Scan();void LCD_initial();unsigned int V_mes;unsigned int V_zero;int V_mod;int Wt; /0.1gint Wt_tmp;int Wt_zero;int Wtg;int Wtd;unsigned int Pri;unsigned int Pri_m;unsigned char P_flag;float Pri_r;float Tot_r;unsigned int Tot_y;unsigned int Tot_d;/*const float Vth_ar20 =

15、88.5,177.5,266.5,355.5,444.5,535.5,623.5,714.5,802.5,891.5, 980.5,1071.0,1159.5,1248.5,1338.0,1427.5,1517.5,1607.5,1696.0,1783.5;const float Wth_ar20 = 1000.0,2000.0,3000.0,4000.0,5000.0,6000.0,7000.0,8000.0,9000.0,10000.0, 11000.0,12000.0,13000.0,14000.0,15000.0,16000,17000.0,18000.0,19000.0,20000.

16、0;*/const float Vth_ar20 = 88.5,177.5,266.5,355.5,444.5,535.5,623.5,714.5,802.5,891.5, 980.5,1071.0,1159.5,1248.5,1338.0,1427.5,1517.5,1607.5,1696.0,1783.5;const float Wth_ar20 = 1000.0,2000.0,3000.0,4000.0,5000.0,6000.0,7000.0,8000.0,9000.0,10000.0, 11000.0,12000.0,13000.0,14000.0,15000.0,16000,170

17、00.0,18000.0,19000.0,20000.0;void main(void) /Description: Configure ACLK = SMCLK = MCLK = 8MHz WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT CSCTL0_H = 0 xA5; CSCTL1 |= DCOFSEL0 + DCOFSEL1; / Set max. DCO setting CSCTL2 = SELA_3 + SELS_3 + SELM_3; / set ACLK = MCLK = DCO CSCTL3 = DIVA_0 + DIVS_0 + DIVM_0; /

18、 set all dividers /LCD initializition Nokia5110_initial(); Nokia5110_set_xy(0,0); Nokia5110_write_str( UESTC); Nokia5110_set_xy(0,1); Nokia5110_write_str(ADC:); Nokia5110_set_xy(0,2); Nokia5110_write_str(Wei:); Nokia5110_set_xy(0,3); Nokia5110_write_str(Pri:); Nokia5110_set_xy(0,4); Nokia5110_write_

19、str(Tot:); /Key scan PORT P3DIR |= 0 x0f; /P3.0P3.3 output P1DIR &= 0 xf0; /P1.0P1.3 input /ADC initializition ADS1115_configure(); ADS1115_point_cons(); P1DIR &= BIT6; P1DIR |= BIT7; unsigned char key; unsigned int cnt=0, cnt2=0, cnt3, cnt_sleep=0; float Vdc=0; int tmp; V_zero = 30; Wt_zero

20、 = 0; Pri = 0; while (1) if(key=Key_Scan() != 0 xff) if(cnt_sleep=19) LCD_initial(); cnt_sleep=0; cnt2 = 0; if(key = 0 x0a) V_zero=V_mes; Wt_zero=0; cnt2=0; else if(key = 0 x0b) Wt_zero = Wt; cnt2=0; else if(key = 0 x0c) Nokia5110_set_xy(25,3); Nokia5110_write_str(input ); Delay_ms(800); Nokia5110_s

21、et_xy(25,3); Nokia5110_write_str( ); Nokia5110_set_xy(25,3); Pri_m=1; Pri=0; P_flag=0; while(key=Key_Scan()!=0 x0f) if(key0 x0a & !P_flag) Nokia5110_write_integer(key); Pri = Pri*10 + key; else if(key = 0 x0e) Nokia5110_write_str(.); P_flag = 1; else if(key0 x0a & P_flag) Nokia5110_write_int

22、eger(key); Pri = Pri*10 + key; Pri_m *= 10; Nokia5110_write_str(); Pri_r = (float)Pri)/(float)Pri_m); if(P1IN & BIT6) if(cnt127) tmp=ADS1115_read(); Vdc+=(float)tmp); cnt+; else V_mes = (int)(Vdc/2048.0); /(11.16)/1.179/2048=1/216.36, *0.998457-8.454738 V_mod = V_mes - V_zero; Vdc=0; cnt=0; if(c

23、nt = 127) if(P1OUT & BIT7) P1OUT &= BIT7; else P1OUT |= BIT7; Nokia5110_set_xy(25,1); Nokia5110_write_integer(V_mod); Nokia5110_write_str( ); Wt_tmp = Wt; if(V_mod=0) Wt = 0; else if(V_modVth_ar19) Wt = (unsigned int)(Wth_ar18 + (V_mod-Vth_ar18)*1000.0/(Vth_ar19-Vth_ar18); else for(cnt3=0;cn

24、t3=18;cnt3+) if(V_mod Vth_arcnt3) Wt = (unsigned int)(Wth_arcnt3 + (V_mod-Vth_arcnt3)*1000.0/(Vth_arcnt3+1-Vth_arcnt3); /*Wt = (int)(1.1198*(float)V_mod) + 1.3308);*/ if(cnt2 =0) Nokia5110_set_xy(25,2); Nokia5110_write_integer(Wtg); Nokia5110_write_str(.); if(Wtd10) Nokia5110_write_str(0); Nokia5110

25、_write_integer(Wtd); Nokia5110_write_str( ); else Nokia5110_set_xy(25,2); Nokia5110_write_str(-); Nokia5110_write_integer(-Wtg); Nokia5110_write_str(.); if(-Wtd40 | Wt_tmp-Wt=0) Nokia5110_set_xy(25,2); Nokia5110_write_integer(Wtg); Nokia5110_write_str(.); if(Wtd10) Nokia5110_write_str(0); Nokia5110_

26、write_integer(Wtd); Nokia5110_write_str( ); else Nokia5110_set_xy(25,2); Nokia5110_write_str(-); Nokia5110_write_integer(-Wtg); Nokia5110_write_str(.); if(-Wtd=19) LCD_initial(); cnt_sleep = 0; if(Wtg*100+Wtd = 0) Tot_r = (float)(Wtg*100+Wtd)*Pri_r/10.0; Tot_y = (unsigned int)(Tot_r/10); Tot_d = (un

27、signed int)(Tot_r - (float)Tot_y*10.0)*10); else Tot_y = 0; Tot_d = 0; Nokia5110_set_xy(25,4); Nokia5110_write_integer(Tot_y); Nokia5110_write_str(.); if(Tot_d10) Nokia5110_write_str(0); Nokia5110_write_integer(Tot_d); Nokia5110_write_str( ); if(cnt_sleep19) cnt_sleep+; else Nokia5110_clear(); nokia

28、5110_rst_l; void Delay_ms(unsigned int m) while(m-) int i=1340; while(i-); void Delay_us(unsigned int u) /10us while(u-);unsigned char Key_Scan() static unsigned char key=0 xff; static unsigned char i; static unsigned char key_scan_tmp; for(i=0;i=3;i+) key_scan_tmp = key_scan = (0 x01i); Delay_ms(2); if(key_read != 0 x00) Delay_ms(5); if(key_read