如何利用稱(chēng)重傳感器和微控制器建立稱(chēng)重秤

在這個(gè)項(xiàng)目中，使用C8051微控制器開(kāi)發(fā)套件、稱(chēng)重傳感器和Simplicity Studio IDE制作一個(gè)稱(chēng)重秤。測(cè)量的重量將顯示在LCD屏幕上。

該項(xiàng)目中使用的液晶顯示器是硅實(shí)驗(yàn)室的一部分CP2400丹麥克朗開(kāi)發(fā)工具包

圖1Silicon Labs CP2400DK開(kāi)發(fā)套件（C8051微控制器和LCD控制器）。圖片由數(shù)字鍵.

LCD設(shè)備本身的制造商零件號(hào)（圖2）為VIM-878-DP-RC-S-LV. 如果您包括小數(shù)點(diǎn)和撇號(hào)（每個(gè)數(shù)字），這個(gè)“14段”LCD顯示器將變成16段顯示。當(dāng)把8位數(shù)的16段相加時(shí)，我們看到總共128段。這種128段顯示器要求使用128段驅(qū)動(dòng)程序，硅實(shí)驗(yàn)室決定使用驅(qū)動(dòng)程序p/nCP2400型（圖3）

圖2液晶屏，8位數(shù)字各有16段（共128段）。圖片由數(shù)字鍵.

圖3128段LCD驅(qū)動(dòng)程序。圖片由硅實(shí)驗(yàn)室（第1頁(yè)和第22頁(yè)）。

我選擇使用的稱(chēng)重傳感器是由 Uxcell公司，型號(hào)# a14071900ux0057 .

圖4稱(chēng)重傳感器。圖片由亞馬遜.

這種特殊的稱(chēng)重傳感器通常稱(chēng)為直桿式稱(chēng)重傳感器或平行梁式稱(chēng)重傳感器。通常情況下，此類(lèi)負(fù)載為額定負(fù)載；本項(xiàng)目中使用的最大重量為10公斤（或22磅）。其廣告額定輸出為1±0.15mV/V。這意味著，當(dāng)稱(chēng)重傳感器施加其最大額定重量（本例中為10kg）時(shí)，每1V施加在稱(chēng)重傳感器勵(lì)磁上的輸出電壓為1mV（±0.15mV）（見(jiàn)下圖）。當(dāng)我說(shuō)電壓是“施加在測(cè)壓元件上”時(shí)，電壓實(shí)際上是施加在惠斯通電橋應(yīng)變計(jì)的勵(lì)磁引線上。同樣的，這就是惠斯通應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生輸出電壓（見(jiàn)下圖）。

圖5稱(chēng)重傳感器的惠斯通電橋應(yīng)變計(jì)示意圖。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我將采用5V作為勵(lì)磁；因此，當(dāng)向稱(chēng)重傳感器施加10kg負(fù)載時(shí)，其輸出將為5.0mV（±0.75mV）。因?yàn)?.0mV是一個(gè)很小的電壓，它需要在被發(fā)送到微控制器之前被放大。

旁注：一些微控制器不是在這個(gè)項(xiàng)目中使用的有差分ADC輸入；單端輸入被認(rèn)為是大多數(shù)微控制器的標(biāo)準(zhǔn)輸入。當(dāng)使用帶有單端ADC輸入的微控制器時(shí)，當(dāng)傳感器提供差分輸出信號(hào)時(shí)，一個(gè)差分放大器必須利用。這種類(lèi)型的放大器將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，可使用標(biāo)準(zhǔn)單端ADC進(jìn)行測(cè)量。

我選擇使用的差分放大器實(shí)際上被稱(chēng)為儀表放大器，或安培。我用INA126PA公司輸入安培數(shù)德州儀器-我買(mǎi)了這個(gè)裝置從Digi Key3.15美元。但是，當(dāng)它不能像廣告中所說(shuō)的那樣運(yùn)行時(shí)，經(jīng)過(guò)大約一個(gè)小時(shí)的故障排除，我決定轉(zhuǎn)移到B計(jì)劃：使用AD627型（來(lái)自模擬設(shè)備），我也買(mǎi)了。我買(mǎi)了這個(gè)零件鈥數(shù)量一-從Digi Key以一個(gè)驚人的價(jià)格 $8.45! 我不知道這些安培表要花這么多錢(qián)！幸運(yùn)的是，這個(gè)裝置工作正常。因此，我想我將來(lái)會(huì)使用模擬設(shè)備中的in-amp器件，而不是TI部件，盡管一般來(lái)說(shuō)，我是TI部件和價(jià)格的粉絲。設(shè)置這兩個(gè)單位的增益很簡(jiǎn)單：只需要一個(gè)外部電阻。此外，TI和模擬設(shè)備部分都被宣傳為單電源或雙電源設(shè)備，我更喜歡使用單電源。

微控制器使用SPI公司用于與LCD驅(qū)動(dòng)程序通信的接口（SPI通道1）如下圖7所示，Simplicity Studio的硬件配置GUI顯示了如何配置C8051的SPI。

圖7SPI接口配置

如前所述，施加在稱(chēng)重傳感器上的勵(lì)磁電壓為5.0VDC，將產(chǎn)生5mV的輸出電壓（滿載22 lbs）。雖然微控制器的ADC的輸入范圍是0到3.3V，但我希望3V對(duì)應(yīng)于全負(fù)荷（22磅）。這將為稱(chēng)重傳感器的過(guò)載提供一些凈空，即滿載的120%，或26磅。在這些條件下，我可以計(jì)算出所需的放大器增益，然后選擇適當(dāng)?shù)脑鲆骐娮柚担≧G ).

5mV?Gain=3000mV

Gain=3000mV/5mV=600

RG公式（perAN627產(chǎn)品介紹第22頁(yè)）：

RG=200kΩ Gain?5

RG=336Ω

圖8連接圖。重要的是去耦電容器（Cone)盡可能靠近AD627的電源插腳

在給微控制器開(kāi)發(fā)套件通電之前，在完成所有連接后，請(qǐng)確保按如下方式配置：

跳線：

• J11:VBAT到GND

• J12:VDD到VIO

• J17:VBAT_引腳到VBAT

開(kāi)關(guān)：

• SW4：設(shè)為“2單元”

• 電源開(kāi)關(guān)（SW5）置于“關(guān)閉”位置

電纜：

• 將帶狀電纜調(diào)試適配器連接到J9

• 將USB調(diào)試適配器連接到電腦。

• 向接頭P2施加5.0 VDC電壓。

令我驚訝的是，測(cè)壓元件本身有螺紋孔。這使得在將稱(chēng)重傳感器連接到底板時(shí)非常方便。再一次，令我驚訝的是，一組洞比另一組大。嗯，我不知道制造商為什么這么做，但是，盡管如此，我還是在當(dāng)?shù)氐奈褰鸬暾业搅撕线m的螺絲。

• 數(shù)量2：機(jī)械螺釘，M4-0.7 x 25mm

• 數(shù)量2：機(jī)用螺釘，M5-0.8 x 25mm

• 注：這四個(gè)螺釘（25毫米）的長(zhǎng)度取決于墊片和底板本身的厚度。

圖9稱(chēng)重傳感器安裝在底板上。

類(lèi)似于我的另一個(gè)項(xiàng)目(在轉(zhuǎn)速表和速度表上增加LCD和鍵盤(pán))，在這個(gè)項(xiàng)目中，我充分利用了Silicon Lab的示例LCD項(xiàng)目（CP240x_LCD_example），這使我的固件編寫(xiě)任務(wù)更加容易。

輸入放大器的輸出連接到端口0.6，這是微控制器ADC的輸入。下面是我在固件中加入的特性/優(yōu)點(diǎn)的列表：

• 固件在將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD屏幕之前，采集并平均200個(gè)測(cè)量電壓的樣本。

• 如果施加的負(fù)載大于或等于23磅，LCD將顯示“過(guò)載”

• 當(dāng)系統(tǒng)首次通電時(shí)，固件將顯示皮重（即啟動(dòng)時(shí)的重量變?yōu)榱阒亓浚?/span>

• LCD配置為在小數(shù)點(diǎn)后顯示一位數(shù)字。

   //----------------------------------
   // Main Application Loop
   //----------------------------------
   while (1)
   {         //-----------------------------------------------------------------------
         // Measure Analog Value
         //-----------------------------------------------------------------------
         //
         // Take ADC conversion.
         //

         // Initiate a Conversion
         AD0INT = 0;                         // clear ADC0 conv. complete flag
         AD0WINT = 0;                        // clear window detector flag
         AD0BUSY = 1;                        // initiate conversion

         // Wait for conversion to complete
         while(!AD0INT);         //                           Vref (mV)
         //   measurement (mV) =   --------------- * result (bits)
         //                       (2^10)-1 (bits)

         mV =  ADC0;
         mV *= VREF;
         mV /= 1023;
         lbs = (float) (mV * 22.0 / 300.0); // The multiplying factor is actually 22lbs/3000mV, but 300
					    // is used for displaying one digit after the decimal point.
         if(zero_scale == 0)		    // Used for zeroing the scale during power-up.
         {
        	 zero_offset = lbs;
        	 zero_scale = 1;
         }
         lbs = (lbs - zero_offset);
         AverageAccumulator += lbs;	    // Add the current lbs measurement to the accumulator.
         AverageMeasurements--;		    // Decrement the measurement counter.
         if(AverageMeasurements == 0)
         {			// Calculate the average value: divide the summed AverageAccumulator by the
			// number of measurements.
			lbsAverage = (AverageAccumulator / 200.0);


			AverageAccumulator = 0;	   // Reset
			AverageMeasurements = 200; // Reset
			if(lbsAverage >= 230)	   // If the measured weight is greater than equal to
						   // 23.0 lbs, then display "OVERLOAD" on the LCD screen.
						   // The load cell is rated at 10kg (or 22 lbs), with
						   // safe overload of 120%, or 12kg (26 lbs).
			{				sprintf(display_string, "OVERLOAD");
			}			else sprintf(display_string, "d lbs ", (unsigned int) lbsAverage);
         }         //-----------------------------------------------------------------------
         // Update LCD
         //-----------------------------------------------------------------------
         //
         // Update the LCD Display
         //
         LCD_OutString(display_string);
   }

這個(gè)項(xiàng)目的所有代碼都可以從下面的鏈接下載。

稱(chēng)重稱(chēng)重秤

在下載、構(gòu)建和加載代碼之后，我使用廚房秤作為測(cè)量體重的參考/比較。如視頻（下圖）所示，我放置了各種重量樣本（我大學(xué)時(shí)的舊課本！）首先是廚房秤，然后是稱(chēng)重傳感器系統(tǒng)。正如你所觀察到的，兩個(gè)刻度在顯示的測(cè)量值上非常接近。

如果您或我決定使用定制的PCB設(shè)計(jì)基于此項(xiàng)目制作一個(gè)實(shí)際的重量測(cè)量系統(tǒng)，請(qǐng)務(wù)必遵循中所述的接地和布局建議數(shù)據(jù)表（第20頁(yè)）。此外，用金屬板代替木制底板將增加物理設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。

稱(chēng)重快樂(lè)！