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基于STM32的高精度電子秤設計

放大字體  縮小字體 發布日期:2017-06-22  來源:中國衡器網  作者:[db:作者]  瀏覽次數:2203
核心提示:  稱重裝置已成為生活中不可或缺的一部分,大到重工業生產,小至街頭小販。目前電子秤市場普遍存在基于89C51系列芯片研制的電子秤,電子秤信號調理系統電路多以使用集成電路芯片HX710A型單芯片處理為主

  稱重裝置已成為生活中不可或缺的一部分,大到重工業生產,小至街頭小販。目前電子秤市場普遍存在基于89C51系列芯片研制的電子秤,電子秤信號調理系統電路多以使用集成電路芯片HX710A型單芯片處理為主P,以內部模擬電路集成芯片改變以往的多元器件堆積焊接實現單一便捷結構化。

  本文基于貼片式電阻應變片傳感器研發的電子秤裝置,結合STM32單片機控制與信號調理電路,實現在誤差范圍50g內小于0.5g,在50500g內小于lg的高精度測量,設計一款便攜式、高靈敏度、低成本的智能電子秤裝置。

  1.方案設計設計結構框圖如圖l所示,本方案設計有以下幾部分組成:信號采集單元、信號放大電路、a/d轉換電路、單片機、液晶顯示、鍵盤輸入、電源設計。

  本設計采用BHF350-3AA型貼片式應變片,具有價格低、精度高和較好的線性特性E前端由四路貼片式電阻應變片傳感器為數據采集單元,ADA4528-2放大低電平幅度信號,再由24位HADC型20丨電子制作2016年ll月信號采集與調理電路設計AD7791轉換放大后的信號,由STM32將所得到的A/D值進行數值計算,將秤取的重量由TFT顯示屏顯示出來,單片機外加鍵盤輸入,可手動調節物品單價,進行累加計算。

  電源設計部分按照各部分所需電壓分路調節輸出。

  1.1硬件設計應變片安放傳感器設計采用等截面矩形結構的懸梁臂結構,如所示,R1、R2為貼片式電阻應變片粘貼于A端的懸梁臂X位置,且A端固定于支架上,B端為體秤受力端,當受到向下拉力時,懸梁臂形變,同時應變片也產生相同的形變,導致應變片輸出電阻值發生變化。由物體受力分析可得在懸梁臂A端附近形變最為明顯,應變片形變更明顯。

  等截面懸梁臂為X處的應變值為:信號調理電路設計由于系統設計測量精度要求050g范圍內誤差小于0.5g,50500g范圍內誤差小于lg,電阻應變片的溫漂效應明顯,而且容易受到激勵電壓的低頻變化的影響,我們選用低漂移的低噪聲運算放大器,同時還要考慮在高放大倍數的情況下失調電壓和增益誤差不使ADC電路前端過載,我們還要求選用的放大器是軌到軌的輸出性能,通過比較和測試,我們最終選用ADA4528-2這款精密運算放大器作為前端放大電路。ADA4528-2為雙通道運放,具有2.2V至5.5V的寬工作電源電壓范圍、高增益、出色的cmrr和psrr特性。失調電壓為2.5uV,失調電壓漂移為0.015uV/°C,適用于不容許誤差源的應用,是精密放大應用理想之選。

  由兩個零漂移放大器組成了對稱式放大器結構,這樣形成了三運放式儀表放大器的第一級,很好的自行校正了低頻直流誤差,同時也抵消了l/f噪聲的影響,但對兩個放大器反饋電阻選擇要求較高,盡量做到完全匹配,因此我們選用1%0高精度電阻。增益可得:如所示,電容R5與R6置于運算放大器的反饋環路中,與R5和R6―起形成4.3Hz截止頻率的低通濾波器,用于限制進入Z-A型ADC的噪聲量。C5與R7、R8―起形成一個截止頻率為8Hz的差分濾波器,用以進一步限制噪聲。C3、C4與R7、R8―起形成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

  由于ADA4528-2具有超低失調電壓和噪聲的高精度器件,因此必須精心布置PCB安排,以使得芯片性得達到最佳狀態,為減少輸出電流變化引起的電源干擾最小,保持較短的電源走線,旁路電容應盡可能靠近器件電源引腳等細節。

  二級放大及ADC電路設計經過第一級前端放大后,需要再進行一級放大以滿足ADC電路的需要。由于我們選用AD7791這款ADC芯片,內置一個24位Z-A型ADC,其中含有一個可緩沖或無緩沖差分輸入,使得內部集成了一個差分輸入放大器電路,AD7791接受差分模擬輸入和差分基準電壓。為適合低頻測量應用的低功耗、完整模擬前端,采用3V電源時,二者的典型功耗為65pA;采用5V電源、禁用緩沖時,典型功系統電源設計電路采用5V基準電壓,峰峰值輸入范圍為10V,因此LSB等于:約為ADC量程的38%>.較寬的模擬輸入有利于稱重傳感器的失調電壓和增益誤差不會使ADC前端過載。雖然采用四線式的貼片傳感器沒有檢測引腳,使得ADC的差分基準電壓引腳與勵磁電壓和地直接相連,導致了線路電阻上存在一定的壓差,但仍能檢測精確出該電橋上產生的電壓。

  系統電源設計電源是一個系統的基礎,一個良好的電源設計是系統穩定運行的前提。電壓的波動,將導致系統讀數稱量的精確度。

  傳感器是通過壓力的改變使得電壓對電阻應變片的輸出量變化,電壓的不穩定,直接導致信號采集的可靠性,同時不穩定的電壓將對后面放大電路、AD電路產生壓差失調、增益誤差和噪聲干擾,使得系統無法工作。提升電源性能,會使系統更優良。電源設計如所示。

  TPS7350具有完善的保護電路,包括過流、過壓、電壓反接保護。由電壓源7.2V輸出,經兩個TPS7350電路轉換為3.3V電壓,為單片機及顯示屏供電。

  ADP3301-5.0是一款低噪聲調節器,輸入工作電壓范圍3V12V,并提供超過100毫安的負載電流,具有卓越的電壓和負載調節,該ADP3301作為一般使用時僅需一個0.47mF旁路電容輸出。

  和稱重傳感器提供穩定的5V電壓,外圍電路設計中加以去耦電容、降噪電容,避免了電源、地層的噪聲在電路中的影響致使性能下降。

  1.2軟件設計軟件設計是基于STM32單片機的開發運用,STM32F103RCT6芯片以ARMCortex-M3為內核,最高工作頻率為72MHz,片上集成64K字節SRAM,512K字節的FLASH容量,自帶校準RTC晶振,tag接口等。具有極強的處理計算能力,并且開發環境易搭建。非常適用于此次簡易電子稱的數據處理。

  鍵盤為4X4的數字鍵盤,除了簡單的0~9的數字功能外,并由校準、去皮、單價、累加、歸零、等于代替其他鍵的功能。鍵盤的輸入是以狀態機輸入判斷,STM32控制器具體需要執行的代碼取決于接收到的事件。所以,數據控制流程不能是事先設定好的,它們的命令和選擇也就是用戶隨機輸入造成的事件來驅動。

  系統軟件分由A/D轉換模塊、數制轉換、鍵盤掃描模塊、液晶顯示模塊和主函數模塊。在開機初始化后,由目」端傳感器采集信號,經過放大、A/D轉換,傳送到STM32單片機控制器,有STM32進行數值轉換;同時判斷外部鍵盤是否有輸入響應,若無,則STM32將處理的信號送至顯示屏,由顯示屏顯示秤取的重量;如果由外部響應輸入,單片機根據輸入的信號事件,處理事故;并由顯示屏顯示輸入的數據信號和單片機處理的結果。軟件實現流程如。

  2.測試結果與分析2.1測試結果數據如表1.(下轉第24頁)22丨電子制作2016年11月23)中的值與計數寄存器中的值相等時,對應的引腳PWMx(x=1,2,3,4)上的電平就會產生跳變,從而產生一些列等高的方波信號。為保證時區時間,輸出的PWM波形占空比最大不超過40%o. pwmi信號用來驅動dc/dc型調節器,使輸出電壓基本穩定在12V,PWM2和PWM3信號用來驅動推挽式變換器開關管;輸出電壓采樣信號與給定的直流電壓信號進行比較,根據比較結果調整PWM2和PWM3的占空比,使輸出電壓穩定于25V;輸出電流采樣數據用來判別是否發生過流故障,溫度采樣數據用來判別是否發生過熱故障,直流電壓采樣信號用來判別是否有過壓和欠壓故障;根據采樣信號實施相應的保護。

  2.實驗數據和實驗波形根據設計要求確定穩壓電源的主要參數如下:太陽能電池板輸入直流電壓12V~35V,變壓器效率95./.,變壓器磁芯選用EB5X27X10,變壓器初級線圈12匝,初次級繞組匝比0.4:1,變換器工作頻率28kHz,驅動信號占空比25/~45%,輸出濾波電感0.25mH,濾波電容為300mF,輸出電壓直流25V,最大輸出電流5A.當電源由空載變換到滿載時,電壓的變換僅有0.14V,而輸出紋波電壓的峰峰值最大僅有0.94mV.同時當負載由1A突變為5A時,用示波器讀出的輸出電壓穩定時間僅有0.2s.電源在空載和滿載時,輸出電壓都能穩定在25V,開關管驅動信號的占空比也小于45%,完全達到了設計要求。

  針對某型電臺供電要求采用TMS320LF2407A高速數字信號處理器設計實現了25V/5A太陽能穩壓電源。實際應用表明該電源具有穩壓精度高、穩態性能好、動態響應快、可靠性高等優點,同時,該電源對利用太陽能發電的同類產品也具有很好的價值。

 
 
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