2016年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽G題

2016年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽G題：簡(jiǎn)易電子秤摘要根據(jù)本題目要求，自行設(shè)計(jì)應(yīng)變片與鐵質(zhì)懸臂梁結(jié)構(gòu)，使用儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變片的電阻變化信號(hào)進(jìn)行差分信號(hào)放大，本作品使用STM32單片機(jī)作為中心控制單元，通過內(nèi)部AD進(jìn)行采集質(zhì)量信息，配以3.2寸觸摸電阻屏控制，以及WT588D作為擴(kuò)展的語音播報(bào)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。本電子稱不但計(jì)量準(zhǔn)確、快速方便，除了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱重、計(jì)價(jià)功能、精度高外，還可實(shí)現(xiàn)去皮、自動(dòng)計(jì)算，數(shù)字顯示，語音播報(bào)，顯示實(shí)時(shí)溫度等。關(guān)鍵字：電子秤；STM32；應(yīng)變片；儀表放大器；電阻觸摸屏；WT588D。G題：簡(jiǎn)易電子秤一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、屏幕顯示模塊、儀表放大模塊、放大器模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1、控制器選用單片機(jī)比較方案一：采用51系列單片機(jī)傳統(tǒng)的51單片機(jī)為8位機(jī)，價(jià)格便宜，控制簡(jiǎn)單，但是運(yùn)算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲(chǔ)容量小，難以存儲(chǔ)大體積的程序和實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。并且受時(shí)鐘限制，計(jì)時(shí)精度不高，外圍電路也增加了系統(tǒng)的不可靠性。方案二：采用STM32F103系列單片機(jī)STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。STM32集成外設(shè)有較為強(qiáng)大的功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)。通過比較，我們選擇方案二，采用STM32F103系列單片機(jī)為主控處理器。2、顯示方案選擇方案一：采用LCD1602作為顯示屏LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。使用與學(xué)習(xí)方便，但是可擴(kuò)展能力弱。方案二：采用3.2寸彩色電阻式觸摸屏彩色顯示，320*480分辨率，有較高的擴(kuò)展性，可以用它實(shí)現(xiàn)鍵盤，顯示等多種功能，功能強(qiáng)大，可自制UI進(jìn)行使用。綜合以上兩種方案，選擇方案二，采用3.2寸彩色電阻式觸摸屏作為顯示方案。3、儀表放大器的論證與選擇方案一：使用3片op07制作儀表放大器電路Op07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25uV）o儀表放大器電路主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放前兩片為同相差分輸入方式，后一片為差分放大電路。這樣子做較為復(fù)雜，電路較難準(zhǔn)確。方案二：使用一片INA128芯片INA128為精密低功耗儀表放大器，它們通用的3運(yùn)放3-opamp設(shè)計(jì)和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛，且電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，由單個(gè)外部電阻即可實(shí)現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇。綜合以上兩種方案，選擇方案二。3、控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：AD采樣后直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與顯示，可以快速的看到數(shù)據(jù)的變化；方案二：采樣后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值低通等數(shù)字濾波，雖然數(shù)據(jù)顯示較慢，但是數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，不會(huì)有較大跳變。綜合考慮采用方案二。

二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、測(cè)量精度的分析由于測(cè)量稱重范圍最大為500g，最小精度要求為0.5g，考慮到采用芯片內(nèi)部的ad最高電壓為3.3v，為防止放大器輸出端電壓過大，所以500g對(duì)應(yīng)最大電壓為3v。所以0.5g對(duì)應(yīng)電壓變化為0.003v。約3.3v電壓的1/1024，即1/2A10，即所采用的AD測(cè)量至少要10位才可以滿足本題的測(cè)量精度要求。本次我們采用的STM32內(nèi)部ADC為12位，基本滿足題目要求。2、電阻式金屬應(yīng)變片電路分析U。Ut=圖1：電橋線路原理圖2、電阻式金屬應(yīng)變片電路分析U。Ut=圖1：電橋線路原理圖「R1R2-R2R4-1(%+&2)(&3+&4)」&2廠則電橋平衡，通過調(diào)節(jié)Uo可以改變Ui的大小;*3如果m^4若R1、R2、R3、R4電阻變化，則電壓變化0(R1+R2)2R1R2R3R4△U=uR1R2[-R1-M20(R1+R2)2R1R2R3R4IN4I2&INAI29圖2：INA128/129內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖INA12＞；p.弟gSF——―40WINA11CG1?些?電壓輸出Uo=（1+迎）AUiRg3、反相比例放大器計(jì)算STM32主控蔓屏幕顯示圖5：全橋式應(yīng)變片電路圖STM32主控蔓屏幕顯示圖5：全橋式應(yīng)變片電路圖三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體框圖電阻式應(yīng)變片儀表放大器反相比例放大器惠斯通全電橋荷十畝收反二二放大器放大電路放大電路電路彳＞直流偏置調(diào)節(jié)語音輸出圖4：電路系統(tǒng)總框圖（2）全橋式應(yīng)變片電路（3）儀表放大器電路（4）反相比例放大器電路圖6：儀表放大器電路圖圖7：反相比例放大器電路圖2、程序的設(shè)計(jì)程序功能描述：根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)ad采樣變換顯示，鍵盤的設(shè)置和顯示。（1）鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：設(shè)置價(jià)格以及功能切換。（2）顯示部分：顯示實(shí)時(shí)電壓值、斤數(shù)、單價(jià)、總價(jià)等。程序流程圖開始去皮歸零中斷AD采樣數(shù)據(jù)計(jì)算屏幕顯示價(jià)格輸入總價(jià)計(jì)算

圖8：主程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案（1）硬件測(cè)試使用信號(hào)發(fā)生器與示波器，觀察硬件電路部分是否能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。（2）軟件仿真測(cè)試使用電源供給單片機(jī)AD采樣，測(cè)試軟件部分是否正常。（3）硬件軟件聯(lián)調(diào)軟件硬件結(jié)合測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整軟件硬件數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。2、測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件:檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。環(huán)境溫度室溫，無較大環(huán)境因素影響。測(cè)試儀器：學(xué)生電源，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，信號(hào)發(fā)生器。3、測(cè)試結(jié)果及分析(1)測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))實(shí)驗(yàn)重量/g51020406080100150200250顯示重量/g5.0410.1020.1240.1460.1680.18100.20150.25200.45250.55實(shí)驗(yàn)重量/g300350400450500550600顯示重量/g300.60350.75400.80450.90500.94550.96600.98(2)測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)結(jié)果基本呈線性，且在誤差范圍內(nèi)基本滿足本作品的誤差要求。綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。五、結(jié)論與心得通過本次大賽又重新了解了儀表類運(yùn)放的相關(guān)知識(shí)，了解金屬應(yīng)變片的功能，并自行設(shè)計(jì)制作壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。這次4天3夜的比賽讓我們對(duì)團(tuán)隊(duì)合作有了深刻的理解，由于團(tuán)隊(duì)分工不明確確實(shí)耽誤了不少時(shí)間。不過經(jīng)過后期調(diào)整，也算較為艱難的完成了任務(wù)。這次比賽的前期準(zhǔn)備確實(shí)耽誤了不少事情，使得進(jìn)度慢了許多，所以前期準(zhǔn)備對(duì)于電子設(shè)計(jì)大賽這種，短時(shí)間內(nèi)要完成的比賽來講，還是很重要