江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽D題(附源程序)

1、2016江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽參賽試題（含題號(hào)）：D 簡(jiǎn)易電子秤摘要本設(shè)計(jì)以MSP430單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以電阻應(yīng)變片為稱(chēng)重傳感器的簡(jiǎn)易電子秤，具有“稱(chēng)重”、“計(jì)價(jià)”、“去皮”等功能。具體來(lái)說(shuō)，采用自制的電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器將砝碼重量變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化，并用精密儀用放大器放大信號(hào)以及A/D轉(zhuǎn)化，最終將信號(hào)送往單片機(jī)處理，得到物體重量，同時(shí)，該設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了通過(guò)按鍵對(duì)電子秤設(shè)置單價(jià)并計(jì)價(jià)與“去皮”功能。關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變片 稱(chēng)重傳感器 儀用放大器 簡(jiǎn)易電子秤1.方案設(shè)計(jì)與論證本設(shè)計(jì)運(yùn)用到五個(gè)模塊，分別是主控芯片模塊、HX711AD轉(zhuǎn)換、LCD液晶顯示模塊、獨(dú)立按鍵、稱(chēng)重傳感器

2、模塊以及藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸（測(cè)試專(zhuān)用）。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)方案框圖1.1主控芯片模塊方案一：采用51單片機(jī)，但是51單片機(jī)的IO口個(gè)數(shù)較少，同時(shí)處理性能較低，無(wú)法滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的工作要求。故我們不采用此方案。方案二：采用MSP430單片機(jī)，該芯片由TI公司生產(chǎn)，它是一種16位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，具有豐富的尋址方式，簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。該芯片有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富、開(kāi)發(fā)環(huán)

3、境方便高效的優(yōu)點(diǎn)。故我們采用此方案。1.2 A/D轉(zhuǎn)換+儀用放大器模塊方案一：采用MSP430處理器自帶的A/D接入口，但是A/D的位數(shù)較低，無(wú)法適應(yīng)我們的轉(zhuǎn)換精度。故我們不采用此方案。方案二：采用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片，該芯片是8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D的位數(shù)也較低，無(wú)法適應(yīng)我們的轉(zhuǎn)換精度。故我們不采用此方案。方案三：采用HX711芯片，它是一款專(zhuān)為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片的特點(diǎn)是兩路可選擇差分輸入；有片內(nèi)低噪聲可編

4、程放大器，選擇增益為128；片內(nèi)穩(wěn)壓電路可直接向外部傳感器和芯片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器提供電源；片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器無(wú)需任何外接器件，必要時(shí)也可使用外接晶振或時(shí)鐘；上電自動(dòng)復(fù)位電路；數(shù)字控制和串口通訊簡(jiǎn)單，所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無(wú)需編程。綜合以上所述優(yōu)點(diǎn)，故我們選擇此方案。1.3 液晶顯示模塊液晶顯示采用LCD1602液晶屏，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。顯示的內(nèi)容為16X2即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字

5、符和數(shù)字）1.4獨(dú)立鍵盤(pán)模塊在計(jì)價(jià)功能上要用到數(shù)字鍵盤(pán)，所以我們自己焊制了4X4獨(dú)立鍵盤(pán)，可以有16個(gè)IO口，IO口較多，比較穩(wěn)定，可靠性高，各個(gè)按鍵之間不會(huì)相互干擾。1.5 稱(chēng)重傳感器模塊我們?cè)诓牧狭W(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)懸臂梁進(jìn)行受力分析來(lái)確定懸臂梁的尺寸，聯(lián)系工廠(chǎng)進(jìn)行加工。將4片電阻應(yīng)變片以全橋電路的形式貼于懸臂梁上，經(jīng)過(guò)測(cè)試，自制成功稱(chēng)重傳感器。圖2 自制稱(chēng)重傳感器實(shí)物圖2理論分析與計(jì)算2.1全橋電路分析圖3是直流電橋的基本結(jié)構(gòu)。以電阻R1、R2、R3、R4組成電橋的四個(gè)橋臂，在電橋的對(duì)角點(diǎn)A、B端接入直流電源Ue作為電橋的激勵(lì)電源，從另一對(duì)角點(diǎn)C、D兩端輸出電壓Uo。使用時(shí)，電橋四個(gè)橋臂中的一

6、個(gè)或多個(gè)是阻值隨被測(cè)量變化的電阻傳感器元件，如電阻應(yīng)變片。電橋的輸出電壓Uo可通過(guò)下式確定 (1)圖3 直流電橋圖4為全橋接法。工作中四個(gè)橋臂阻值都隨被測(cè)量而變化，即,，當(dāng),時(shí)，電橋輸出 (2)圖4 全橋接法可以看出，電橋的輸出電壓與激勵(lì)電壓成正比，只是比例系數(shù)不同?，F(xiàn)定義電橋的靈敏度為 (3)全橋的靈敏度為，全橋接法可以獲得最大的靈敏度。在這里，電阻應(yīng)變片的阻值即=350。2.2懸臂梁尺寸分析與計(jì)算題目的要求檢測(cè)出的砝碼變化精度是0.5g，即砝碼變化0.5g，相應(yīng)的經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量變化為1，由全橋電路分析可知 (4)同時(shí) (5)其中為靈敏度，為正應(yīng)變。綜合上述兩式，得出 (6)因

7、為采用的是HX711A/D轉(zhuǎn)換器，里面自帶128增益，所以 (7)從A/D轉(zhuǎn)換的分辨率角度考慮可得 (8)式中=1。因?yàn)橐阎钥捎?jì)算得出,又因?yàn)殪`敏度=2.08，最后求出的最小值為2.2×10-10。由材料力學(xué)可知 (9)式中，為彈性模量，=69KN/mm2在即橫截面上離中性軸最遠(yuǎn)的各點(diǎn)處，彎曲正應(yīng)力最大，其值為 (10)式中為彎矩，為慣性矩。我們?cè)O(shè)計(jì)了一串?dāng)?shù)據(jù)，最后選出了一組符合題目最小精度要求的數(shù)據(jù)，再將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)代入材料力學(xué)的相關(guān)公式中進(jìn)行強(qiáng)度校核，經(jīng)校核，這組數(shù)據(jù)滿(mǎn)足力學(xué)強(qiáng)度要求，保證了懸臂梁的穩(wěn)定性和可靠性。圖5 懸臂梁尺寸設(shè)計(jì)圖懸臂梁尺寸設(shè)計(jì)仿真圖見(jiàn)附錄圖3電路與

8、程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的主控芯片用的是MSP430149，由TI公司生產(chǎn)，它是一種16位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器，在設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，圖6是它的電路原理圖。A/D轉(zhuǎn)換器采用的是HX711芯片，是一款專(zhuān)為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，圖7是它的電路原理圖。液晶顯示采用LCD1602液晶屏，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，圖8是它的電路原理圖。圖6 MSP430電路圖圖7 HX711電路圖圖8 LCD1602電路圖在軟件代碼實(shí)現(xiàn)方面，我們采用基于IAR SYSTEMS的C編譯器嵌入式開(kāi)發(fā)軟件，支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器。整體

9、程序按照如下的流程進(jìn)行: 圖9 程序設(shè)計(jì)流程框圖關(guān)鍵程序代碼詳見(jiàn)附錄程序源碼。4測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果原始數(shù)據(jù)通過(guò)HX711的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)橐淮M(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙模塊，將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳入電腦，并用Matlab對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和重量呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合出的函數(shù)代入程序中進(jìn)行測(cè)試，再根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況軟件補(bǔ)償，最終可以達(dá)到理想的稱(chēng)重效果。測(cè)試結(jié)果如下：表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果砝碼質(zhì)量/g測(cè)量結(jié)果/g相對(duì)誤差%55.00109.91%2019.90.5%3030.10.33%5049.90.2%8080.20.25%150150.20.13%200199.70.15%350350.40.11%5

10、00500.50.1%5設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)以TI公司MSP430F149為核心控制單元，采用自制的電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器采集砝碼重量變化，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化，用精密儀用放大器放大信號(hào)以及A/D轉(zhuǎn)化，最終將信號(hào)送往單片機(jī)進(jìn)行處理，得到物體重量，考慮到自制的稱(chēng)重傳感器系統(tǒng)的非線(xiàn)性，系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分段比例因子補(bǔ)償，測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)已經(jīng)很好地實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)性測(cè)量以及優(yōu)于1%的稱(chēng)重精度。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了通過(guò)按鍵對(duì)電子秤設(shè)置單價(jià)，可計(jì)算物品金額并實(shí)現(xiàn)金額累加與“去皮”功能，去皮范圍不超過(guò)100g。在圓滿(mǎn)完成題目要求的同時(shí)，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了稱(chēng)重超過(guò)量程5g時(shí)報(bào)警的功能，為系統(tǒng)設(shè)置了安全保障。最后，感

11、謝大賽組委會(huì)以及為比賽提供眾多幫助的TI公司。附錄圖 懸臂梁尺寸設(shè)計(jì)軟件仿真圖圖 隊(duì)員貼電阻應(yīng)變片圖 指導(dǎo)老師、小組成員合影圖 作品實(shí)物圖片程序源碼1.AD轉(zhuǎn)換程序unsigned long ReadCount(void) unsigned long Count; unsigned char i; ADSK_0; /使能AD（PD_SCK 置低） Count=0; while(P3IN&0x20); /AD轉(zhuǎn)換未結(jié)束則等待，否則開(kāi)始讀取 delay_us(1); for (i=0;i<24;i+) ADSK_1; /PD_SCK 置高（發(fā)送脈沖） delay_us(10); Co

12、unt=Count<<1; /下降沿來(lái)時(shí)變量Count左移一位，右側(cè)補(bǔ)零 ADSK_0; /PD_SCK 置低 if(P3IN&0x20) Count+; delay_us(10); ADSK_1; Count=Count0x800000; /第25個(gè)脈沖下降沿來(lái)時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) delay_us(10); ADSK_0; delay_us(10); return(Count);2.按鍵檢測(cè)函數(shù)#include "key.h"#include "clock.h"#include "Uart.h"int num=0;in

13、t GetKey() if(P1IN & BIT0)=0) delay_ms(30); /延時(shí)消抖 if(P1IN & BIT0)=0) while(P1IN & BIT0)=0); /等待松開(kāi) delay_ms(30); if(P1IN & BIT0)!=0) /松手檢測(cè) num=1; else if(P1IN & BIT1)=0) delay_ms(30); /延時(shí)消抖 if(P1IN & BIT1)=0) while(P1IN & BIT1)=0); /等待松開(kāi) delay_ms(30); if(P1IN & BIT1)!=

14、0) /松手檢測(cè) num=2; else if(P1IN & BIT2)=0) delay_ms(30); /延時(shí)消抖 if(P1IN & BIT2)=0) while(P1IN & BIT2)=0); /等待松開(kāi) delay_ms(30); if(P1IN & BIT2)!=0) /松手檢測(cè) num=3; while(P2IN & BIT3)=0); /等待松開(kāi) delay_ms(30); if(P2IN & BIT3)!=0) /松手檢測(cè) num=12; else if(P2IN & BIT4)=0) delay_ms(30); /延

15、時(shí)消抖 if(P2IN & BIT4)=0) while(P2IN & BIT4)=0); /等待松開(kāi) delay_ms(30); if(P2IN & BIT4)!=0) /松手檢測(cè) num=13; else if(P2IN & BIT5)=0) delay_ms(30); /延時(shí)消抖 if(P2IN & BIT5)=0) while(P2IN & BIT5)=0); /等待松開(kāi) delay_ms(30); if(P2IN & BIT5)!=0) /松手檢測(cè) num=14; 3.主函數(shù)#include <msp430x14x.h&g

16、t;#include"Uart.h"#include"HX711.h"#include "clock.h"#include "timer.h"#include "led.h"#include "1602.h"#include "key.h"#include <stdio.h>#define threshold 9390000 /有人無(wú)人閥值 此處需要根據(jù)實(shí)際修改，閥值=讀取40公斤值的AD值-零點(diǎn)AD值float temp=0;/unsigne

17、d char PeopleFlag;/unsigned char buf20;int key=20;float sum=0,price=0,weight=0,error=0,vesweight=0,realweight=0,SUM=0,AVG=0;uint qupiflag=0,dotflag=0;void start_check() uchar i=0; float SUM=0; for(i=0;i<50;i+) temp=ReadCount(); weight=temp*4877/10000000-4613; SUM+=weight; error=SUM/50;void Functi

18、on1() uchar i=0; SUM=0; for(i=0;i<5;i+) temp=ReadCount(); weight=temp*4877/10000000-4613-error; SUM+=weight; /SendData(10*weight); AVG=SUM/5; if(AVG>=200 && AVG<300) AVG=AVG-0.5; if(AVG>=300 && AVG<400) AVG=AVG-0.8; if(AVG>=400 && AVG<=500) AVG=AVG-1; if(

19、AVG>500) AVG=AVG-1.2; if(qupiflag!=0&&vesweight<=100) realweight=AVG-vesweight; lcd_result(int)(10*realweight); else lcd_result(int)(10*AVG); void Function2() /weight=100; key=GetKey(); if(key=13) /清除鍵 lcd_sum(0); sum=0; if (key=14) qupiflag=qupiflag; vesweight=AVG; if(key=15) error=error-0.1; if(key=16) error=e