基于单片机的称重测量类实验产品设计

课程名称：单片机装调与实验

实验题目：基于单片机的称重测量类实验产品设计

课程简要信息

单片机装调与实验，64学时，物联网、通信、集成电路等电类专业二年级

实验内容与任务（限500字）

1. 采用STC80C52单片机为主控制器，依据单片机控制原理，利用传感器、A/D转换芯片、通信芯片，进行电路设计、PCB制作、程序编写与调试最终完成电子称量器。

2. 利用压力传感模块采集数据，经放大后经A/D转换模块（可选用HX711芯片），将采集的数据转换成数字信号，自主设计单片机控制电路实现电子称量功能及其扩展功能，可选体重秤类、电子秤类（二选一）。

3. 电子秤类设计：设计电路，实现称量范围1g-20kg，测量精度1g，误差范围3%，完成电子称基本功能(能够进行参数设置，和数据显示，设置报警阈值，实现“去皮”)。提高：研究通过设计电路提高精度方法。

4. 体重秤类设计：设计电路，实现测量安全范围<=120kg，极限范围<=150kg,测量精度0.1kg，完成体重秤功能(能够测量体重、体质指数、显示、报警等)。提高：研究蓝牙数据传输协议，在单片机端设计电路，调试程序，根据提供的协议平台完成与安卓上位机的数据传输。

5. 根据设计原理制作PCB，焊装产品，制作适合产品的包装，保证产品的美观性，同时可以在一定程度上保护产品的结构稳定性。

实验过程及要求（限300字）

1）学习基于单片机控制不同模块和处理数据的方法，掌握单片机定时器、中断等相关的基本原理；

2）学习电路设计方法，用相应软件进行PCB版绘制，在实验室PCB制作并焊接元器件；

3）了解蓝牙串行端口SPP协议，理解单片机监听端与主动连接端连接过程、数据传输过程。查找满足协议框架要求的连接实现方法，完成单片机端软件、硬件设计，学会应用协议与手机APP数据传输。

4）分析并选择合适的压力传感器学习将重量信息转化为数字信号方法、实验选取恰当的阈值报警，注意满足设计的精度要求和量程范围；

6）编写程序并仿真，选用适当元器件，设计灵敏度控制方式，调整系统参数；

7）构建简易的测试方法，测定及分析误差，用MATLAB分析处理测试结果；

8）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，进行开题和结题报告，学习交流不同解决方案的特点。

9）教师根据产品的效果和工艺进行成绩评定。

相关知识及背景（限150字）

本作品旨在自主设计电路，将传感器采集到的数据进行放大，经过高精度模数转换将数据在单片机内进行运算，利用蓝牙模块进行数据传输，控制系统显示。涉及到传感器及检测、信号放大、模数信号转换、称量类运算方法、通信协议、显示模式调整、误差分析与校正等相关知识与技术方法。此外还涉及到电路设计软件、PCB制作工艺、焊接基本功训练、仪器设备使用等操作。

教学目标与目的（限100字）

通过对该类产品的开发制作，能使学生更好的学习电路原理，掌握单片机控制、显示原理，掌握PCB制作工艺。引导学生了解通信协议原理、电路设计原理，深入理解单片机通信技术。充分锻炼焊装能力和电路设计能力，培养学生的工程实践能力和基本工程素养。

教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践项目，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习单片机控制的基本方法，了解单片机的报警、字符液晶显示、实时时钟电路等功能。

2）不同压力传感器测量范围、精度、体积、形状都存在很大的差异，后续的外围电路和封装也要根据压力传感器的特征来设计；一般来说，压力传感器的使用说明中都有参考电路。

介绍实验室转印设备、腐蚀等制板设备使用。

3）实验要求的测量精度，主要取决于称重传感器的误差、电测装置的误差、机械承重系统的误差、动态干扰误差等，可采用并联多个传感器、载荷重量垂直作用于传感器、传感器水平、减少摩擦力等方法提高精度，也可通过设计电压放大电路。

4）可以简略地介绍蓝牙数据传输的基本原理，要求有能力的学生实现数据传输。让学生理解SPP协议流程，理解监听端（单片机）与主动连接端（手机）连接过程、数据传输过程。为学生提供手机端APP及接口框架，学生需要设计单片机程序（在单片机端接收3个字符，判断接收控制信息），根据提供框架平台补充过滤器、UUID、创建I/O流完成与手机端通信。

5）在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，标定所完成的电子秤的误差，并用计算机分析系统误差。

6）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

实验原理及方案

1. 系统结构

2. 实现方案

（1）体重秤实现方案

图1 体重秤基本设计电路

a．基本设计

实现能够测量范围内人的体重，并将数据通过LCD显示出来,超出所测重量时会出现报警等。在单片机中根据通过输入身高，再接收测量体重信息，计算出人体体质指数，并指示被测人目前的身体状况。

该系统设计采用模块化设计方法，以STC80C52为主芯片。

一般选用有源传感器，被称物体放置在秤台上时，传感材料受力后压力传感器产生力-电效应，应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

模数转换电路可以根据测量精度进行选择，本实验要求0.1kg，则可选择ADS54系列16位转换芯片，或者选择HX711高精度24位A/D转换，实验室均可提供。

将物体的重量转换为电信号，再通过A/D转换器转换为数字信号后，将数字信号送入主控制器。经过微处理器处理后的信号通过LCD（可选1602）显示器显示，同时需要用4*4矩阵键盘将身高信息输入到微处理器中，根据公式进行健康指数分析。当测量重量超出最高值时报警提示，报警指示电路由蜂鸣器来实现。

超重报警指示电路由PNP三极管9012驱动蜂鸣器来实现，单片机IO口控制三极管的基极，当单片机的IO口输出为低电平时，三极管导通，蜂鸣器的正极与电源接通，蜂鸣器通电发出报警声，当单片机IO口输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止报警。

b．提高设计-完成蓝牙数据传输协议

图2 蓝牙传输模块设计电路

在监听端，将单片机的串口波特率与蓝牙模块设置一致，设计单片机程序完成与手机端通信，补充流程中的③④⑥步骤提供手机端APP（如图4）及接口。

在连接端，在框架内实现开启蓝牙→找到需要通讯的蓝牙设备→创建蓝牙套接字并创建IO流→通过IO流与单片机通讯。蓝牙串行端口基于SPP协议（Serial Port Profile），能在蓝牙设备之间创建串口进行数据传输。SPP的UUID：00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB 。Android手机一般以客户端的角色主动连接SPP协议设备。手机一般以客户端的角色主动连接SPP协议设备(接上蓝牙模块的数字传感器)，单片机蓝牙模块就充当了服务端（处于监听状态，被手机蓝牙连接）

创建连接流程：

1. 使用registerReceiver注册BroadcastReceiver来获取蓝牙状态、搜索设备等消息；

②使用BlueAdatper的搜索：

btAdapt.startDiscovery();

③在BroadcastReceiver的onReceive()里取得搜索所得的蓝牙设备信息(如名称，MAC，RSSI)；

④通过设备的MAC地址来建立一个BluetoothDevice对象；

⑤由BluetoothDevice衍生出BluetoothSocket，准备SOCKET来读写设备；

⑥通过BluetoothSocket的createRfcommSocketToServiceRecord()方法来选择连接的协议/服务，这里用的是SPP(UUID:00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB)；

⑦当连接成功后，就可以从BluetoothSocket中获取读数据和写数据的流接口。然后循环监听InputStream是否有获取到数据，最后将数据设置到TextView中展示出来。

图4体重秤蓝牙上位机

（2）电子称类方案

图5电子秤设计电路

a、基本功能设计

本设计主要采用STC89C52单片机作为主控能够进行数据处理数码管显示，可以用按键进行参数设置，可设置报警阈值，LED灯闪烁。设计电路，实现“去皮”功能。

数据采集模块由应变式力传感器和HX711芯片模块组成，可选用双孔悬臂平行梁应变式称重传感器（70MM*22MM*15MM）或其他形式传感器，需要注意选用无论受力点在传感器的哪一侧，都能读取到准确的压力信息。

双孔悬臂平行梁应变式称重传感器将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元件上, 当弹性元件受力产生变形时,应变片产生相应的应变, 转化成电阻变化。将应变片接成平衡电桥，由力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化。

A/D转换芯片建议选用HX711芯片，这是一款高精度24位A/D转换芯片。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源。通道A的可编程增益为128 或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源。

人机交互模块由按键、蜂鸣器、数码管显示器、警报灯构成。通过4个按键可以分别实现设定阈值，复位，去皮等基本功能。其中去皮的操作，可用按键实现（如先将容器放在压力传感器上称重，而后按复位键来置零，再将被测物体放入容器中，即可得到被测物体的质量）。重置报警阈值建议方案：先按下设置键，数码管显示器会显示此时的阈值，然后通过加键和减键来设置阈值，长按加键或减键时可以实现十位的步进。再按下设置键即可设置完成。

b、提高设计-研究通过电路设计电子秤提高精度方法

测量精度受多种因素影响，主要取决于称重传感器的误差、电测装置的误差、机械承重系统的误差、动态干扰误差等。对于称重需要，采用并联多个传感器会提高称量精度，而称重显示器选用主要从温度对灵敏度的影响,供给传感器的激励电源、重复性、

置零、分辩率等方面考虑。而对于静态称重的电子秤,在机械装配上要注意保证载荷重量能垂直作用于传感器,其作用力的方向应与传感器的受力轴线相吻合,不产生附加力矩或水平分力,在电子秤安装使用时,传感器要水平,水平限位器位置调节适当,不要造成摩擦力,尽量使机械部分误差减少。

针对低位A/D转换提高精度方法：对一定位数的A/D转换器来说，转换精度是一定的，这使较低位A/D转换器的应用受到了限制，但高位A/D转换器的成本较高，不利于经济效益的提高。针对这个问题，我们采取使用低位A/D转换器来获得和高位A/D转换器相当的转换精度的设计思想，来该进电路结构。

模拟信号都由压力传感器产生，然后经A/ D转换器转换为数字信号 , 再进行计算处理。但传感器输出信号的变化范围很大,实际中采用的信号范围常常是其输出范围很小的一部分。因此 ,可以在传感器输出的模拟信号处理电路中,把放大器的输入信号由原来传感器的整个输出范围缩小为实际应用到的输出范围。经过这样的处理, A/D转换的信号输入范围变得很小,转换精度得到了相应的提高 ,达到了直接运用高位A/D转换器转换精度的目的。电路结构设计中，和常用的模拟信号处理电路不同 , 信号放大器的输入端除了输入传感器的模拟信号外,还应输入调节电压,以使放大器输入端的电压变化范围为实际应用的电压范围。电路结构如图6所示。

图6 信号放大电路

图 6 中 , V i1为传感器的输出信号，V i2为调节电压；放大器 1 的作用是给放大器 2 提供稳定的调节电压。由放大器2的虚地特性U + = U - = 0 , 可从图中推导出公式 :

$$\frac{V_{i1}}{R_{1}} + \frac{V_{i2}}{R_{2}} = - \frac{V_{0}}{R_{f}}$$

为求各电阻值 , 令式中V i1的值已知 , 由实际应用的传感器输 出电压的极限值之一决定 , V i1在数值上和绝对值较小的极限值，但符号相反；V0的值由所采用的A/ D转换器的基准 电压决定。这样把实际应用的两电压极限值带入公式 ( 1) 中，便可得到 R1 = R2 以及它们和Rf的关系，从而可进一步求出平衡电阻RP = R1 / / R2 / / RF。调节RF使V0满足A/ D转换器的输入电压要求。

硬件系统的设计步骤：

①根据系统的功能要求确定选用的元器件；

②分配单片机各个P口地址，以连接对应的元器件，方便控制；

③利用DXP软件构建系统的硬件图；

软件部分的设计步骤:

①确定各部分模块对应要实现的功能，并根据连接图写出对应程序中对应的控制信息，便于软件编写；

②用keil软件编写程序，对应各模块功能模块化编写，便于程序的检查和调试，此外还需要应用Android studio补充完成蓝牙数据传输模块；

③利用keil软件生成hex文件，用PROTEL软件绘制电路图；

④依照电路图，在电路板上焊接各元件，完成系统实物设计；

（3）学会利用实验室PCB制板设备(如下图7)：完成裁板、转印、腐蚀、打孔等。

图7实验室制板设备

教学实施进程

该实验分为准备阶段、设计阶段、实施阶段、验收阶段等四个阶段。

准备阶段：要求学生提前预习相关知识，确定实验方案，准备实验材料。实验开始前学生自由分组，每组进行实验的开题报告，开题报告中要说明实验的方案、人员分工、基本实验原理、具体时间安排等信息，教师对学生的实施方案进行必要的指导，帮学生把握正确的实施方向。

设计阶段：学生在教师的指导下设计电路原理图并仿真，编写单片机控制程序，设计pcb图。在设计阶段教师对于基本的设计方法进行讲解，引导学生进行多种方案的比较，注重要求学生掌握设计技巧和设计的规范。设计完成后，由教师进行检查并及时纠正学生设计中的不足。

**实施阶段：**根据设计方案，学生在教师指导下进行印制电路的制作和焊装，学生独立完成称量产品设计，下载进已经编写完的控制程序，进行系统的测试。

**验收阶段：**学生进行结题报告，展示完成的产品，总结经验，上交实验报告。教师对完成情况进行点评并打分，批阅实验报告。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验任务要求：明确说明要达到的效果

2）实验技术指标：说明预期要完成的各项指标

3）元器件测试：测试实验中所用到的元器件参数

4）电路设计原理图：整体的电路原理图和仿真图

5）电路印制板图：设计完成的PCB图

6）电路焊装及测试分析：说明焊装的全过程和测试的步骤，列出各项数据

7）产品操作说明：说明产品的各项功能，并列出操作方法。

8）实验结果总结及建议：对整个实验进行总结，提出对于教学方法的改进建议。

考核要求与方法（限300字）

1）实物验收：对完成的称量产品进行测试，要求电子秤完成基本功能，称量指标，误差少于3%；体重秤要求完成基本功能，测量安全范围<=120kg，极限范围<=150kg。具备通过蓝牙协议对输入数据的识别响应。测量精度是否提高。实验效果验收占30%

2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。占20%

3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力，产品是否具体有一定的扩展性。占15%

4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。占10%

5）实验数据：测试数据和测量误差等实验相关数据是否完善。占10%

6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。占15%

项目特色或创新（可空缺，限150字）

1) 该项目有一定的现实应用背景和比较高的实用价值，具有较好的创新性和趣味性。

2）本项目综合运用了很多专业课程知识，比如A/D转换、通信协议、电路设计等；使学生通过实验深入理解了所学知识。

3）本项目设计、调试工作量大，难度高，这就充分锻炼了学生的动手能力。

参赛选手信息表