基于電阻應(yīng)變片的智能電子秤的設(shè)計(jì)

藍(lán)奇 吳奕 李林政 邱欣怡 翟文博 蘇文錦 余倩倩

摘要：該文通過應(yīng)變片稱重傳感器采集物品重量信號，由HX711前級電路對傳感器發(fā)出的信號經(jīng)基于ATmage328的Arduino UNO為核心的控制單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并傳輸?shù)絆LED屏顯示和語音模塊播報(bào)，通過編寫程序和硬件設(shè)備的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)量程為0～1 000g的電子秤。系統(tǒng)還搭配有HC_05藍(lán)牙模塊，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)與Arduino UNO之間的通信。

關(guān)鍵詞：Arduino；電子秤；應(yīng)變片稱重傳感器；語音播報(bào)；藍(lán)牙

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）13-0096-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

稱重技術(shù)是一項(xiàng)重要的計(jì)量方法， 普遍應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、科研、貿(mào)易等領(lǐng)域，與人民的商貿(mào)往來密不可分。隨著國內(nèi)電子技術(shù)的水平不斷提升，我國電子秤的開發(fā)和制造得以飛速發(fā)展，小體積、模塊化、集成化、智能化已然是電子秤的主流導(dǎo)向[1]。單一的機(jī)械秤已經(jīng)不能滿足人們在科技生活中的需求，基于現(xiàn)今科技的飛速發(fā)展，智能電子秤隨之誕生，智能電子秤的發(fā)展縮短了市場經(jīng)濟(jì)交易的時(shí)間，極大促進(jìn)經(jīng)濟(jì)生活的便捷，因此得到眾多用戶的認(rèn)可和喜愛[2]。智能電子秤是檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)、信號處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合為一體的儀器[3]。在保證系統(tǒng)的測量精確度和實(shí)用性情況下，本文以基于ATmage328的Arduino UNO為核心，通過編寫程序和硬件設(shè)備的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)量程為0g～10 000g的電子秤。其中ATmage328為核心控制單元實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，外圍設(shè)備使用稱重傳感器對物體重量進(jìn)行采集，由24位 A/D轉(zhuǎn)換芯片—HX711，將傳感器模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，通過ATmage328接收處理并輸出到OLED屏和語音模塊，物體重量通過OLED顯示和語音模塊的播報(bào)。系統(tǒng)還使用HC_08藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)與Arduino UNO之間的通信和控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)使用直流5V為主要供電電源，向處理器、OLED屏、語音模塊等提供工作電壓，其中稱重傳感器的工作電壓是由HX711芯片提供的模擬電壓。當(dāng)稱重傳感器上的秤盤有物品放下時(shí)，粘貼在懸臂梁上的電阻應(yīng)變片隨同懸臂梁一起發(fā)生形變，傳感器的平衡態(tài)被打破，使其輸出信號發(fā)生改變，經(jīng)HX711芯片為主的前級處理電路進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換，得到的一定線性關(guān)系的數(shù)字信號，將信號輸送至ATmage328處理器進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)OLED屏顯示重量、語音播報(bào)重量、連接手機(jī)藍(lán)牙、去皮和重量校準(zhǔn)功能。系統(tǒng)框架如圖1所示。

系統(tǒng)本著低功耗和高性能以及實(shí)用性出發(fā)，以電阻應(yīng)變式傳感器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，其主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

1） 重量檢測功能，對秤盤上的物品進(jìn)行重量測量，量程為0～10 000g，誤差為±1g；

2） 顯示功能，通過OLED屏顯示物品重量；

3） 語音播報(bào)功能，實(shí)現(xiàn)對物品重量進(jìn)行播報(bào)；

4） 報(bào)警功能，當(dāng)物品重量大于10 000g，其通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，并且紅色LED燈亮起；

5） 按鍵功能，通過按鍵可實(shí)現(xiàn)切換單位，包含的單位有斤、g、Kg；

6） 具備去皮和重量校準(zhǔn)功能；

7） 實(shí)現(xiàn)電子秤與手機(jī)之間進(jìn)行藍(lán)牙通信功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所接的外圍設(shè)備較多，主控芯片要滿足內(nèi)存容量大、高速運(yùn)行、低功耗及價(jià)格合理等要求，所以采用基于ATmage328芯片的MCU（Microcontroller Unit） ，ATmage328是一款8位二進(jìn)制數(shù)的微控制器，擁有2048字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存儲器，對固定地址編程可做到程序的加密；1024字節(jié)的EEPROM存儲器，其擦寫次數(shù)不少于100 000次[4]。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，整個(gè)系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)部分：系統(tǒng)電源模塊、應(yīng)變片稱重傳感器模塊、顯示模塊、串口燒錄模塊、語音播報(bào)模塊、藍(lán)牙模塊等。

2.1 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的中控芯片、HX711模塊、語音播報(bào)模塊，液晶顯示器正常工作電壓都為5V，為了保證電子秤運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，需要電路穩(wěn)定輸出5V的電壓。此次設(shè)計(jì)采用雙電源提供5V的工作電壓，USB TO TTL燒錄模塊中的CH340芯片可提供5V電壓。也可以使用外接電源作為系統(tǒng)的供電電源，外接電源情況下采用LM7805芯片將外置高于5V的電源電壓壓降至5V輸出，同時(shí)LM7805要加上兩個(gè)濾波電容保證電壓輸出的穩(wěn)定性，此外電路搭配一個(gè)LED燈，保證電源電路的正常工作。

2.2 系統(tǒng)串口程序燒錄設(shè)計(jì)

使用帶有DTR的USB串口模塊，該模塊使用CH340E為主控芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)TTL，DTR引腳在燒錄程序時(shí)，需要通過一個(gè)0.1uF的電容連接到ATmage328P的RESET。使用該模塊可直接使用Arduino IDE燒錄程序，無須像KELI軟件生成HEX文件再借于ISP軟件燒錄程序，使程序調(diào)試更加方便快捷。

2.3 稱重傳感器設(shè)計(jì)

稱重傳感器是整個(gè)系統(tǒng)研究過程中的重要部分，傳感器性能對整個(gè)測量電路的設(shè)計(jì)以及測試的精度和好壞有著重要的影響[5]。常見的稱重傳感器（又稱壓力傳感器）有電阻應(yīng)變片式傳感器、電容式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器[6]。系統(tǒng)采用電阻式應(yīng)變式壓力傳感器，由彈性元件、電阻應(yīng)變片、電橋電路和傳輸線四部分組成[7]。本設(shè)計(jì)選擇65Mn高碳鋼作為彈性體，使用BFH120-10AA-D-D300型應(yīng)變片，為了消除溫度誤差和側(cè)向力等干擾誤差，采用惠斯通電橋全橋連接方法，將四組電阻應(yīng)變片粘貼在懸臂梁中間上下表面，處于同一個(gè)溫度場中，構(gòu)成四個(gè)臂阻，當(dāng)傳感器沒有壓力作用時(shí)，調(diào)整電橋參數(shù)，使之達(dá)到平衡，消除溫度誤差和側(cè)向力等干擾誤差。當(dāng)傳感器受到壓力作用時(shí)，通過惠斯通電橋?qū)?yīng)變片電阻值細(xì)微的變化轉(zhuǎn)換成電壓值輸出，經(jīng)HX711芯片為主的前級信號處理電路，把電橋輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，輸送至Arduino處理，Arduino將從傳感器得到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，把具體的數(shù)值和質(zhì)量輸送至OLED屏，完成對重量的顯示[8]。OLED主要由SSH1106芯片驅(qū)動(dòng)。前級信號處理原理如圖3所示。

2.4 語音播報(bào)、超重報(bào)警和藍(lán)牙模塊

TTS模塊采用URAT通信協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸上只需占用總控芯片的TX，RX兩個(gè)引腳，其內(nèi)部原理圖如下圖所示。其中8002B為功放芯片，將接收的信號進(jìn)行放大，JQ8400芯片將信號轉(zhuǎn)換為不同頻率的高低電平傳輸?shù)綋P(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)對重量和單位的語音播報(bào)。電路如圖4所示。

超重報(bào)警電路用于當(dāng)物體重量超出電子秤的最大量程時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，提醒使用者，以免造成電子秤損壞。報(bào)警電路由NPN型的9013B三極管、蜂鳴器和LED燈組成。三極管基極串聯(lián)一個(gè)10K的電阻，電阻一端接至Atmage328的17引腳，當(dāng)物品重量大于額定值時(shí)，Arduino的17引腳輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的負(fù)極與GND得以接通，蜂鳴器響起，LED燈點(diǎn)亮；當(dāng)Arduino引腳為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器和LED燈停止工作。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，將HC_05藍(lán)牙模塊連接至開發(fā)板預(yù)留的排針接口，安裝對應(yīng)軟件并打開手機(jī)藍(lán)牙，稍等幾秒鐘，即可找到對應(yīng)藍(lán)牙模塊的設(shè)備名稱和通信地址，點(diǎn)擊就可與藍(lán)牙模塊的連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)設(shè)備與HC_05藍(lán)牙模塊之間的無線通信，通過串口引腳的數(shù)據(jù)傳輸或者高低電平變化，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，然后通過藍(lán)牙模塊作為橋梁實(shí)現(xiàn)手機(jī)設(shè)備對單片機(jī)系統(tǒng)的控制。藍(lán)牙連接電路由HC_05藍(lán)牙模塊和AMS1117等組成，AMS1117芯片與電容的結(jié)合5V電源壓降至3.3V，實(shí)現(xiàn)對藍(lán)牙模塊的穩(wěn)定供電。

3 程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的編程語言為C語言，編譯環(huán)境為Arduino IDE 1.8.16，編譯系統(tǒng)Window 10 ×64。編譯完成后Arduino IDE無須生成HEX文件，使用USB線即可完成程序的燒錄。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)程序主框架如圖5所示。

3.1 重量采集子程序

重量采集程序是獲取HX711芯片從重量傳感器上得到的24位數(shù)字信號，對其進(jìn)行移位寄存，獲得一個(gè)長整形數(shù)據(jù)[9]。

3.2 顯示、語音播報(bào)和藍(lán)牙連接子程序

本次設(shè)計(jì)使用的OLED屏通信協(xié)議為IIC。顯示程序在秤盤沒有重物時(shí)，顯示時(shí)間和日期。當(dāng)有物體放在秤盤上時(shí)，MCU根據(jù)得到的重量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果傳送給OLED屏顯示物體的重量內(nèi)容。使用的語音播報(bào)模塊支持中文 GBK 編碼集，在傳送數(shù)據(jù)前需將MCU得到的16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)碼成GBK碼，最后由語音合成芯片合成文本播放。因語音播報(bào)模塊已將ATmage328芯片原有的RXD、TXD引腳占用，藍(lán)牙模塊與ATmage328芯片的通訊，將借助Arduino庫中的SoftwareSerial函數(shù)庫，將芯片的8、9引腳作為RXD、TXD引腳，設(shè)置波特率為9600 Mpbs，在void setup程序中配mySerial.begin（9600）。在該庫的支持下，通過程序模擬將Atmage328p芯片的數(shù)字I/O引腳轉(zhuǎn)為串口通信引腳，實(shí)現(xiàn)通信功能。手機(jī)端軟件界面如圖6所示。

4 電路實(shí)物和重量采集測試結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示，當(dāng)沒有物體放在秤盤上時(shí)，OLED屏顯示0.000Kg；當(dāng)有物體放下時(shí)，屏幕顯示對應(yīng)的數(shù)值。

放上標(biāo)準(zhǔn)砝碼測量，砝碼重量分別為5g、20g、50g、100g、150g、200g、500g、800g、1000g，重復(fù)測量三次，計(jì)算實(shí)際數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)砝碼之間的重量誤差，根據(jù)結(jié)果得出電子秤的稱重精度，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電子秤的測量誤差僅為±1g，達(dá)到本次設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文基于ATmage328的Arduino UNO單片機(jī)，以電阻應(yīng)變式壓力傳感器為應(yīng)用研究對象，進(jìn)行智能電子秤系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。主要完成了對1 000g重量以下物品的精準(zhǔn)測量，同時(shí)將重量數(shù)據(jù)以多種形式向外傳送：1） OLED屏顯示物體重量；2） 語音播報(bào)物體重量；3） 手機(jī)移動(dòng)設(shè)備實(shí)時(shí)接收重量數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)主要借用XH711芯片為主的前級處理電路，將壓力傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定準(zhǔn)確數(shù)字信號，基于ATmage328芯片的性能和功能特點(diǎn)，令電子秤系統(tǒng)得以正常運(yùn)行。

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