Рисунок 6 Схема электронных весов на базе HX711

На базе этой микросхемы в поднебесной делается несколько видов модулей: копеечные модули без экрана и чуть дороже с экранированием элементов. Модуль с экранированием теоретически должен давать более стабильный результат измерений.

Основные параметры микросхемы АЦП HX711:

· Два входных канала для измерения

· Регулируемый коэффициент усиления 32, 64, 128

· Простой цифровой интерфейс, не требующий программирования (так гласит даташит, хотя по большому счету программирование параметров присутствует)

· Регулируемое количество выборок 10 или 80

· Разрядность АЦП 24 бита

· Фильтр на 50 и 60 Гц питания

· Потребление тока до 1,5 мА

· Напряжение питания от 2,7 до 5,5 вольт

· Диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 85 градусов Цельсия

· Знаковые выходные данные от 800000h до 7FFFFFh

Для подключения к микроконтроллеру используется простой цифровой интерфейс, схожий с I2C, но имеющий с ним мало общего, поэтому придется управлять выводами интерфейса выводами микроконтроллера (в простонародии ногодрыг), так как аппаратного интерфейса ни на одном микроконтроллере нет - это некоторая импровизация для упрощения работы микросхемой, хотя на самом деле, уходя от стандартов, это все только усложняет. Пример использования этого интерфейса присутствует в даташите, поэтому все можно делать просто по примеру и аналогии.

После того, как получим данные от АЦП необходимо учесть два нюанса. Первое, значение представляет собой чистые данные АЦП, то есть количество отсчетов относительно приложенного веса. Что бы не забивать себе голову пересчетами количества отсчетов в значение веса или массы, вспоминаем, что все зависимости у нас линейные, а значит пропорциональные, поэтому нам нужен всего один общий коэффициент для этого пересчета. Для моего экземпляра коэффициент равен 430 при пересчете в единицы грамм. Как это узнать? Есть два способа - строгий математический, с поиском различных справочных данных по материалу из которого изготовлен датчик, поиска параметров тензорезисторов для выведения зависимости модуля упругости материала в данной геометрической конфигурации к сопротивлению тензорезисторов при упругой деформации датчика. Второй способ не самый точный, но крайне быстрый и простой. Необходимо просто замерить сколько отсчетов АЦП приходится на единицу приложенной массы. Для этого необходимо учесть второй нюанс - сама конструкция имеет некоторый вес и перед измерениями его нужно просто убрать - вычесть и получить «ноль» на весах. Далее поставить на весы гирьку определенной известной массы и получить некоторое значение АЦП. Это количество отсчетов будет приходится на единицу массы на весах:

К=(количество отсчетов с массой гирьки - количество отсчетов без приложенной массы) / масса гирьки

Далее этот коэффициент используется после каждого измерения АЦП для перевода в значение единиц массы и выводится на дисплей. Для моего экземпляра этот коэффициент равен 430.

Для сборки весов используем микроконтроллер STM32.

Рисунок 7 микроконтроллер STM32

Исходный код для микроконтроллера находится в конце статьи. Схему удобно собирать на минимальной отладочной плате, потому что в этом случае необходимо минимум деталей для сборки - соединяем между собой плату с микроконтроллером, дисплей и модуль АЦП с датчиком, подключаем к питанию.

Для оценки точности измерений, а также для определения коэффициент для перевод значения АЦП в массу лучше всего использовать груз с заведомо точно известной массой. Для этой цели хорошо подойдут мерные гирьки. Вот такой раритетный экземпляр, например.Как видим, схема показывает весьма неплохие результаты точности измерения (небольшое видео находится в конце статьи). Стоит помнить также о том, что датчик рассчитанный на измерение массы до 200 кг не даст такой точности до сотых долей грамма как датчик, рассчитанный на измерение массы до 100 г. Поэтому при выборе датчика обязательно нужно учитывать сферу применения весов для получения наиболее оптимальных результатов.

Недостатки и преимущества: Первый недостаток- высокая стоимость, второй недостаток - тяжелая схема для сборки.

1.3 Электронные весы на Arduino

Рисунок 8 Мостовая схема соединения тензометрических сопротивлений в датчике

В общем, каждая весоизмерительная ячейка имеет четыре тензодатчика, которые закреплены в мостовой моста из пшеничного камня, как показано выше.

Четыре провода, выходящие из датчика для подключение имеют следующие цветовые маркировки, обычно:

* Питание + (E +) или VCC красное

* Питание- (Е) или земля черное.

* Выход + (O +), Сигнал + (S +) + или Усилитель + (A +) белый

* O-, S- или A- зеленый или синий

Некоторые датчики могут иметь небольшие различия в цветовом кодировании(особенно китайцы любят такой разнобой), такие как синий вместо зеленого или желтого вместо черного или белого, если имеется только четыре провода (это означает, что экран не задействован,или отсутствует вовсе ). Даже если цвета имеют другую маркировку, то всегда можно вызвонить датчик по сопротивлению, установив мультиметр на диапазор 2кОм, прозванивая пару проводов, провода питания будут иметь сопротивление порядка 400 ОМ,провода сигнала 350 (пара), питание + сигнал будут иметь сопротивление 300Ом.

Если показания веса у вас идут со значением «-» просто на плате HX711 поменяйте O + / O-провода местами.

После того как вы подключили датчик к плате 711, вы можете подключить VCC, DAT, CLK и GND к микроконтроллеру, например к плате Arduino.

В примере кода DAT и CLK подключены к контактам цифровым 3 и 2на плате Ардуино, но при надобности их можно легко изменить в коде. Питание платы начинается от 3 в, а питание датчика от 5 в, по этому можно смело питать от Ардуины.

Рисунок 9 Схема подключения создана в программе фритзинг

Так же существуют платы переходники для подключения сразу 4х датчиков

Рисунок 10 платы переходники для подключения сразу 4х датчиков

Подобные вы могли видеть в весах напольного типа, где использованы 4 датчика по 35-50 кг максимальной нагрузки на 1 датчик, а сумарно на крестовине держат до 200 кг, обычно на таких весовых площадках пишут максимальный вес - 150 кг (критический до 200)

Но если перегрузить одну сторону (свыше 40-50 кг на угол) то можно вывести со строя датчик, или погнуть стойки.

Рисунок 11 Электронные весы в собранном виде

Недостатки и преимущества: Высокая стоимость.

2. Разработка структурной схемы

Согласно техническому заданию, в электронные весы должны входить следующие компоненты: Датчик давления - первичный преобразователь давления в электрическое напряжение

Индикатор - элемент, отображающий значение веса в виде десятичных цифр

Микроконтроллер - элемент, управляющий электронными весами, т.е. опрашивающий датчик с некоторой периодичностью и преобразующий его аналоговый электрический сигнал в цифровой. А также выводящий это значение на индикатор

Батарея питания - элемент, питающий электронные весы.

Рисунок 12 Блок-схема электронных весов

2.1 Блок датчика давления

Блок датчиков необходим для анализа веса людей, животных, предметов и.т.д.

В данном блоке используется потенциометр. Потенциометр -- измерительный прибор, предназначенный для определения напряжения путём сравнения двух, в общем случае, различных напряжений или ЭДС с помощью компенсационного метода.

2.2 Блок управления

Блок управления предназначен для управления исполнительными блоками, обработки данных с блока датчиков, для связи узлов. Если потенциометр равен 100, то вес будет равен нулю, а если вес будет меньше 100, то блок давления посылает через блок управления на блок индикации и вес будет выведен на LCD.

2.3 Блок питания

Блок питания предназначенный для снабжения узлов сигнализатора электрической энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряжения до требуемых значений.

2.4 ЖК Индикатор

Блок ЖК Индикатор предназначен для вывода значений веса, данный блок имеет световую сигнализацию.

Для световой индикации используется экран.

Блок индикации имеет минимальное количество элементов, что увеличивает надежность и компактность данного блока

3. Разработка схемы электрической принципиальной

Для разработки принципиальной схемы я воспользовался программой Proteus 8, что бы убедиться в том, что устройство работает правильно.

Мне понадобилось:

1) Дисплей LCD1602;

2) Три резистора с сопротивлением 100Ом;

3) Две кнопки для сохранения и сброса;

4) Соединительные провода;

5) USB для прошивки платы.

Рисунок 13 Принципиальная схема устройства.

3.1 Выбор датчика

Как уже было сказано в введении необходимо выбрать не датчик веса, а датчик давления. Рассчитаем необходимые параметры. Для начала вычислим диапазон измеряемого давления. Давление это отношение силы давления к площади соприкосновения. В нашем случае сила давления - это сила тяжести, вычисляемая по формуле

F=mg,

где m-масса объекта, g-ускорение свободного падения, равное, для нашего региона 9,8 м/c².

Площадь прикосновения в нашем случае равна площади пластины, лежащей на подушке, т.е. 0,25 м².

Существуют разнообразные датчики давления:

Датчик абсолютного давления. Абсолютное давление, такое как барометрическое давление, измеряется относительно вакуума во встроенной в кристалл датчика полости.

Датчик дифференциального давления. Дифференциальное давление, такое как падение давления в регуляторе тяги или на фильтре в воздушном канале, измеряется подачей давления с противоположных сторон чувствительного элемента датчика.

Датчик относительного давления. Относительное давление, как в случае измерения кровяного давления, является частным случаем дифференциального, в котором в качестве давления сравнения служит атмосферное давление.

В нашем случае нужно выбрать датчик абсолютного давления.

3.2 Выбор микроконтроллера

Вместо микроконтроллера я выбрал плату Arduino UNO. У платы есть все необходимые компоненты для обеспечения работы микроконтроллера. Достаточно подключить USB кабель к компьютеру и подать питание.

Arduino -- это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств, для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов.

Рассылаемые в настоящее время версии могут быть заказаны уже распаянными. Информация об устройстве платы (рисунок печатной платы) находится в открытом доступе и может быть использована теми, кто предпочитает собирать платы самостоятельно. Микроконтроллеры ATmega328 дёшевы и стоят около 200 рублей.

У Arduino Uno:

1) 14 цифровых портов входа-выхода ( 6 из них поддерживают режим ШИМ модуляции);

2) 6 аналоговых входов;

3) частота тактирования 16 МГц;

4) USB порт;

5) разъем питания;

6) разъем внутрисхемного программирования;

7) кнопка сброса;

3.3 Выбор дисплея

Жидкокристаллический дисплей (Liquid Crystal Display) сокращенно LCD построен на технологии жидких кристаллов. При проектировании электронных устройства, нам нужно недорогое устройство для отображения информации и второй не менее важный фактор, наличии готовых библиотек для Arduino.

Из всех доступных LCD дисплеев на рынке, наиболее часто используемой является LCD 1602, который может отображать ASCII символа в 2 строки (16 знаков в 1 строке) каждый символ в виде матрицы 5х7 пикселей. Существует огромное количество разновидностей данного ЖК модуля, он может быть 1,2,4-ех строчный с различным числом символов на строке.

LCD 1602 представляет собой электронный модуль основанный на драйвере HD44780 от Hitachi. LCD1602 имеет 16 контактов и может работать в 4-битном режиме (с использованием только 4 линии данных) или 8-битном режиме (с использованием всех 8 строк данных), так же можно использовать интерфейс I2C. Что не маловажно, так как нам нужно экономить ножки.

4. Программная часть

4.1 Разработка алгоритма работы устройства

Рисунок 14 Алгоритм работы устройства

4.2 Разработка программы устройства

#include <LiquidCrystal.h> // Подключаем стандартную библиотеку LiquidCrystal

#include <EEPROM.h> // Подключаем стандартную библиотеку EEPROM.h

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // Настройка пинов дисплея

void setup() { // процедура setup

pinMode (7, INPUT_PULLUP); // Назначаем 7 ножку инвертированным входом

pinMode (8, INPUT_PULLUP); // Назначаем 7 ножку инвертированным входом

pinMode( button, INPUT_PULLUP); // Назначаем переменную button инвертированным входом

lcd.begin(16, 2); устанавливаем размер (количество столбцов и строк) экрана

}

void loop() { // процедура loop

lcd.clear(); //очищаем экран

delay(5); // задержка 5 мс

lcd.setCursor(0, 1); // устанавливаем курсор в колонку 0, строку 1.

lcd.print("Bec:"); // Вывести на экран «Вес»

lcd.setCursor(4, 1); // устанавливаем курсор в колонку 4, строку 1

lcd.print(analogRead(A0)); // Вывести на экран значение с выхода А0

lcd.setCursor(7, 1); // устанавливаем курсор в колонку 7, строку 1

lcd.print("KG"); // Вывести на экран «KG»

int val = analogRead(A0); // Запись в переменную val данные с выхода А0

EEPROM.write(1, val); // Запись в память значение с va1

delay(100); // задержка 100 мс

if (digitalRead(7)==LOW){ // если кнопка не нажата

lcd.clear(); // очистить экран

lcd.setCursor (0,0); // устанавливаем курсор в колонку 0, строку 0

lcd.print ("Memory:"); // Вывести на экран «Memory»

lcd.setCursor (0,1); // устанавливаем курсор в колонку 0, строку 1

lcd.print (EEPROM.read(1)); // вывести на экран значение с памяти

delay(1000); // задержка 1 секунда

}

if(digitalRead(8)==LOW){// если кнопка не нажата

lcd.clear();очистить экран

lcd.setCursor (0,0); // устанавливаем курсор в колонку 0, строку 0

lcd.print ("RESET:"); // вывести нп экран «RESET»

delay(200); // задержка 200 мс

EEPROM.write(1, 0); // Запись в память

}

}

4.3 Выбор языка программирования

Программирование микроконтроллеров Arduino осуществляется на языке программирования C++. Этот язык является низкоуровневым, поэтому считается сложным и имеет высокий порог вхождения. Но для программирования Arduino используется упрощенная версия этого языка программирования. Так же для упрощения разработки прошивок существует множество функций, классов, методов и библиотек. Благодаря этому работать с этими микроконтроллерами очень удобно и легко. Описание большинства необходимых функций и операторов вы найдете на этой странице. Этого хватит для написания прошивок под самые разнообразные устройства на базе ардуино. Для всех функций есть небольшие примеры, показывающие как вы можете их использовать.

5. Моделирование

Устройство я смоделировала в программе Proteus, чтобы проверить работу.

Proteus Professional -- пакет программ для автоматизированного проектирования электронных схем.

Пакет представляет собой систему схемотехнического моделирования, базирующуюся на основе моделей электронных компонентов принятых в PSpice. Отличительной чертой пакета Proteus Professional является возможность моделирования работы программируемых устройств: микроконтроллеров, микропроцессоров, DSP и прочее. Дополнительно в пакет Proteus Professional входит система проектирования печатных плат. Proteus Professional может симулировать работу следующих микроконтроллеров: 8051, ARM7, ARM Cortex-M3, AVR, Texas Instruments, Motorola, PIC, Basic Stamp. Библиотека компонентов содержит справочные данные.

Рисунок 15 Работа устройства в Proteus

Заключение

В ходе курсовой работы были разработаны электронные весы, которое полностью удовлетворяет техническому заданию: имеет малую цену по сравнению с существующими аналогами на рынке, так как комплектующие стоят недорого и доступны.

Устройство собрано в среде Proteus. Программа для устройства написана на языке СИ++.

Приложение А Структурная схема устройства

Приложение В Принципиальная схема устройства

Приложение С Алгоритм работы устройства

Список литературы

1. Arduino IDE for Windows and Mac - https://www.arduino.cc.

2. Proteus Professional - http://kintor.org/programmy/raznoe/25227-proteus-8-professional-85-sp0-build-22067-en.html.

3. Информация по дисплею LСD1602 - http://blog.rchip.ru/obzor-lcd-displeya-1602a/.

4. Сборник команд, операторов и функцийв C++ - https://alexgyver.ru/arduino/Arduino_lessons.pdf.

5. Работа с тензонометрическим датчиком и платой HX711 http://www.electronica52.in.ua/proekty-arduino/delaem-vesy-na-arduino-.

6. Электронные весы на Arduino http://cxem.net/mc/mc416.php.

Размещено на Allbest.ru