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基于STM32的高精度电子秤设计

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-06-22  来源:中国亚博体育手机版下载网  作者:[db:作者]  浏览次数:2348
核心提示:  称重装置已成为生活中不可或缺的一部分,大到重工业生产,小至街头小贩。目前电子秤市场普遍存在基于89C51系列芯片研制的电子秤,电子秤信号调理系统电路多以使用集成电路芯片HX710A型单芯片处理为主

  称重装置已成为生活中不可或缺的一部分,大到重工业生产,小至街头小贩。目前电子秤市场普遍存在基于89C51系列芯片研制的电子秤,电子秤信号调理系统电路多以使用集成电路芯片HX710A型单芯片处理为主P,以内部模拟电路集成芯片改变以往的多元器件堆积焊接实现单一便捷结构化。

  本文基于贴片式电阻应变片传感器研发的电子秤装置,结合STM32单片机控制与信号调理电路,实现在误差范围50g内小于0.5g,在50500g内小于lg的高精度测量,设计一款便携式、高灵敏度、低成本的智能电子秤装置。

  1.方案设计设计结构框图如图l所示,本方案设计有以下几部分组成:信号采集单元、信号放大电路、a/d转换电路、单片机、液晶显示、键盘输入、电源设计。

  本设计采用BHF350-3AA型贴片式应变片,具有价格低、精度高和较好的线性特性E前端由四路贴片式电阻应变片传感器为数据采集单元,ADA4528-2放大低电平幅度信号,再由24位HADC型20丨电子制作2016年ll月信号采集与调理电路设计AD7791转换放大后的信号,由STM32将所得到的A/D值进行数值计算,将秤取的重量由TFT显示屏显示出来,单片机外加键盘输入,可手动调节物品单价,进行累加计算。

  电源设计部分按照各部分所需电压分路调节输出。

  1.1硬件设计应变片安放传感器设计采用等截面矩形结构的悬梁臂结构,如所示,R1、R2为贴片式电阻应变片粘贴于A端的悬梁臂X位置,且A端固定于支架上,B端为体秤受力端,当受到向下拉力时,悬梁臂形变,同时应变片也产生相同的形变,导致应变片输出电阻值发生变化。由物体受力分析可得在悬梁臂A端附近形变最为明显,应变片形变更明显。

  等截面悬梁臂为X处的应变值为:信号调理电路设计由于系统设计测量精度要求050g范围内误差小于0.5g,50500g范围内误差小于lg,电阻应变片的温漂效应明显,而且容易受到激励电压的低频变化的影响,我们选用低漂移的低噪声运算放大器,同时还要考虑在高放大倍数的情况下失调电压和增益误差不使ADC电路前端过载,我们还要求选用的放大器是轨到轨的输出性能,通过比较和测试,我们最终选用ADA4528-2这款精密运算放大器作为前端放大电路。ADA4528-2为双通道运放,具有2.2V至5.5V的宽工作电源电压范围、高增益、出色的cmrr和psrr特性。失调电压为2.5uV,失调电压漂移为0.015uV/°C,适用于不容许误差源的应用,是精密放大应用理想之选。

  由两个零漂移放大器组成了对称式放大器结构,这样形成了三运放式仪表放大器的第一级,很好的自行校正了低频直流误差,同时也抵消了l/f噪声的影响,但对两个放大器反馈电阻选择要求较高,尽量做到完全匹配,因此我们选用1%0高精度电阻。增益可得:如所示,电容R5与R6置于运算放大器的反馈环路中,与R5和R6―起形成4.3Hz截止频率的低通滤波器,用于限制进入Z-A型ADC的噪声量。C5与R7、R8―起形成一个截止频率为8Hz的差分滤波器,用以进一步限制噪声。C3、C4与R7、R8―起形成截止频率为159Hz的共模滤波器。

  由于ADA4528-2具有超低失调电压和噪声的高精度器件,因此必须精心布置PCB安排,以使得芯片性得达到最佳状态,为减少输出电流变化引起的电源干扰最小,保持较短的电源走线,旁路电容应尽可能靠近器件电源引脚等细节。

  二级放大及ADC电路设计经过第一级前端放大后,需要再进行一级放大以满足ADC电路的需要。由于我们选用AD7791这款ADC芯片,内置一个24位Z-A型ADC,其中含有一个可缓冲或无缓冲差分输入,使得内部集成了一个差分输入放大器电路,AD7791接受差分模拟输入和差分基准电压。为适合低频测量应用的低功耗、完整模拟前端,采用3V电源时,二者的典型功耗为65pA;采用5V电源、禁用缓冲时,典型功系统电源设计电路采用5V基准电压,峰峰值输入范围为10V,因此LSB等于:约为ADC量程的38%>.较宽的模拟输入有利于称重传感器的失调电压和增益误差不会使ADC前端过载。虽然采用四线式的贴片传感器没有检测引脚,使得ADC的差分基准电压引脚与励磁电压和地直接相连,导致了线路电阻上存在一定的压差,但仍能检测精确出该电桥上产生的电压。

  系统电源设计电源是一个系统的基础,一个良好的电源设计是系统稳定运行的前提。电压的波动,将导致系统读数称量的精确度。

  传感器是通过压力的改变使得电压对电阻应变片的输出量变化,电压的不稳定,直接导致信号采集的可靠性,同时不稳定的电压将对后面放大电路、AD电路产生压差失调、增益误差和噪声干扰,使得系统无法工作。提升电源性能,会使系统更优良。电源设计如所示。

  TPS7350具有完善的保护电路,包括过流、过压、电压反接保护。由电压源7.2V输出,经两个TPS7350电路转换为3.3V电压,为单片机及显示屏供电。

  ADP3301-5.0是一款低噪声调节器,输入工作电压范围3V12V,并提供超过100毫安的负载电流,具有卓越的电压和负载调节,该ADP3301作为一般使用时仅需一个0.47mF旁路电容输出。

  和称重传感器提供稳定的5V电压,外围电路设计中加以去耦电容、降噪电容,避免了电源、地层的噪声在电路中的影响致使性能下降。

  1.2软件设计软件设计是基于STM32单片机的开发运用,STM32F103RCT6芯片以ARMCortex-M3为内核,最高工作频率为72MHz,片上集成64K字节SRAM,512K字节的FLASH容量,自带校准RTC晶振,tag接口等。具有极强的处理计算能力,并且开发环境易搭建。非常适用于此次简易电子称的数据处理。

  键盘为4X4的数字键盘,除了简单的0~9的数字功能外,并由校准、去皮、单价、累加、归零、等于代替其他键的功能。键盘的输入是以状态机输入判断,STM32控制器具体需要执行的代码取决于接收到的事件。所以,数据控制流程不能是事先设定好的,它们的命令和选择也就是用户随机输入造成的事件来驱动。

  系统软件分由A/D转换模块、数制转换、键盘扫描模块、液晶显示模块和主函数模块。在开机初始化后,由目」端传感器采集信号,经过放大、A/D转换,传送到STM32单片机控制器,有STM32进行数值转换;同时判断外部键盘是否有输入响应,若无,则STM32将处理的信号送至显示屏,由显示屏显示秤取的重量;如果由外部响应输入,单片机根据输入的信号事件,处理事故;并由显示屏显示输入的数据信号和单片机处理的结果。软件实现流程如。

  2.测试结果与分析2.1测试结果数据如表1.(下转第24页)22丨电子制作2016年11月23)中的值与计数寄存器中的值相等时,对应的引脚PWMx(x=1,2,3,4)上的电平就会产生跳变,从而产生一些列等高的方波信号。为保证时区时间,输出的PWM波形占空比最大不超过40%o. pwmi信号用来驱动dc/dc型调节器,使输出电压基本稳定在12V,PWM2和PWM3信号用来驱动推挽式变换器开关管;输出电压采样信号与给定的直流电压信号进行比较,根据比较结果调整PWM2和PWM3的占空比,使输出电压稳定于25V;输出电流采样数据用来判别是否发生过流故障,温度采样数据用来判别是否发生过热故障,直流电压采样信号用来判别是否有过压和欠压故障;根据采样信号实施相应的保护。

  2.实验数据和实验波形根据设计要求确定稳压电源的主要参数如下:太阳能电池板输入直流电压12V~35V,变压器效率95./.,变压器磁芯选用EB5X27X10,变压器初级线圈12匝,初次级绕组匝比0.4:1,变换器工作频率28kHz,驱动信号占空比25/~45%,输出滤波电感0.25mH,滤波电容为300mF,输出电压直流25V,最大输出电流5A.当电源由空载变换到满载时,电压的变换仅有0.14V,而输出纹波电压的峰峰值最大仅有0.94mV.同时当负载由1A突变为5A时,用示波器读出的输出电压稳定时间仅有0.2s.电源在空载和满载时,输出电压都能稳定在25V,开关管驱动信号的占空比也小于45%,完全达到了设计要求。

  针对某型电台供电要求采用TMS320LF2407A高速数字信号处理器设计实现了25V/5A太阳能稳压电源。实际应用表明该电源具有稳压精度高、稳态性能好、动态响应快、可靠性高等优点,同时,该电源对利用太阳能发电的同类产品也具有很好的价值。

 
 
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