基于树莓派和LabVIEW的电子秤设计

潘春玲



基于树莓派和LabVIEW的电子秤设计

潘春玲

（泉州经贸职业技术学院 信息系，福建 泉州 362000）

提出了一种基于树莓派和LabVIEW的电子秤设计，包括称重硬件和LabVIEW显示两部分。称重硬件包括树莓派控制器、电阻应变式传感器、HX711模数转换芯片等模块；LabVIEW可显示物体重量、输入物体单价、显示总价及测量时间等信息，同时将信息记录表单，本系统具有操作简单、测量精度高、可移动性强、实时性好等优点。

树莓派； LabVIEW； 电子秤

0．引言

由于传统电子秤体积大、电线长、接线乱等问题，使得传统电子秤的使用很不方便[1-2]。采用树莓派和LabVIEW技术设计了一款新型电子秤，树莓派和LabVIEW通过WiFi无线网络以TCP/IP协议进行通信，在一定距离内实现电子称与PC上位机数据信号的传输，省去了传统电子秤电线的长、乱等问题，使电子秤使用起来简洁、方便。与普通电子秤相比，新型电子秤在移动称重上拥有更好的效果，只要树莓派和LabVIEW在同一网络内，在任何地方都能够使用电子秤，并可将数据直接传入计算机，通过Excel软件进行相关数据的存储和处理。

1．硬件设计

本系统主要由数据采集模块、信号处理模块、树莓派控制器和数据显示模块组成。设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图

树莓派控制器是系统的核心，本系统选用的树莓派型号为3代B+型，此型号的树莓派基于ARM架构，可运行LINUX操作系统，具有有线网络、无线网络、蓝牙等功能，其尺寸仅为：82 * 56*19.5 mm，重量50 g，具有体积小、重量低、功能齐全的优点。并具有GPIO口和音频输出口，GPIO口具有若干个输入口和输出口。树莓派的GPIO口上有40个接口，此40个接口中除去专用的电源与地接口，至少还有26个通用I/0口。用户只要使用软件编程，就可通过GPIO接口，轻松实现树莓派与各类传感器的通信。

数据采集模块采用电阻应变式传感器，当有重物放置其上时，传感器会发生机械形变，根据金属的应变效应，该传感器能将机械形变转化为相应电阻值的变化，从而引起电阻两端输出电压的变化，该输出电压为一模拟电压，须经A/D变换后才能被树莓派控制器处理，根据电压的变化量进行相应换算，便可获得物体的重量[3-4]。

为了使树莓派能够处理电阻应变式传感器的输出电压，需要接入信号处理模块，该模块采用的是高精度的24位A/D转换芯片HX711，其内部集成了时钟振荡、信号放大和A/D转换等外围电路，芯片的控制信号由树莓派的管脚来驱动，数据传输采用串口通信方式。

数据显示模块采用的是装有LabVIEW软件的PC机。LabVIEW是一种广泛应用于工业控制、学术研究和实验室研究的开发环境，采用图形化编程语言，将树莓派和LabVIEW置于同一局域网，树莓派控制器利用其无线模块，通过TCP/IP协议与LabVIEW进行通信，LabVIEW可实时显示树莓派传输过来的数据，实现了一定距离内的数据传输[5]。

具体的实施过程为：首先将物体放置于电阻应变式传感器上，使传感器产生一个与重量有关的模拟电压，该模拟电压需经HX711芯片进行A/D转换，树莓派通过驱动程序读取HX711芯片传输进来的数据，经过相关的算法得出重物的重量，接着树莓派作为服务端，LabVIEW作为客户端，利用WiFi无线网络，通过TCP/IP协议进行网络通信，树莓派将得出的数据传输给LabVIEW，LabVIEW上就可显示物体的重量，用户还可根据实际情况输入物体的单价，利用LabVIEW的数据处理功能和文件处理功能，计算总价，并将每次测量的数据保存在Excel表格中，方便用户过后查阅。

2．软件设计

软件设计包括树莓派上的数据采集程序、数据处理程序、TCP通信服务端发送程序，以及LabVIEW上的用户图形界面设计，TCP/IP、电子表格等库函数的调用。系统程序流程图如图2所示。

2．1．系统程序流程分析

程序开始运行后，树莓派首先对系统进行初始化设置，接着读取HX711芯片传过来的数据，计算后得出重物的重量，为了有足够的称重时间和精度，设置了10次的数据采集和数据处理循环操作，最后取10次重量的平均值作为本次测量的最终结果；接着树莓派通过无线模块发起TCP监听，当接收到LabVIEW的主动连接信号后，立即发送本次测量的重量值。但由于LabVIEW使用TCP/IP协议，只支持字符串格式，因此树莓派在发送数据之前要进行数据格式的转换，发送结束后关闭连接。而LabVIEW端需调用TCP/IP库函数进行网络连接和数据接收，然后数据在面板上进行显示，同时写入Excel表格。

2．2．系统程序设计

2．2．1．数据处理程序设计

数据处理程序流程如下：首先初始化各功能模块，接着采集电阻应变式传感器信号，选择HX711芯片的放大增益，启动其模数转换功能，待模数转换结束后，根据模数转换原理，计算出物体的重量。

图2 系统程序流程图

2．2．2．服务端程序设计

服务端程序采用C语言编写，服务端程序使用了套接字（socket）组件，该组件提供bind()，listen()，accept()，send()等函数，利用该组件的函数和类定义可生成通过网络通信的程序[6]。主要步骤如下：

1.创建socket；

2.指定主机地址和端口号，绑定socket；

3.通过listen()开始TCP监听，等待连接；

4.通过accept()等待LabVIEW连接；

5.连接成功，通过send()传输重量数据；

6.数据传输完毕，关闭连接。

2．2．3．LabVIEW设计

在LabVIEW软件平台下，系统由前面板和后面板两部分构成，前面板即是用户界面，由各种输入控件和显示控件组成，用于输入数据和显示各种测量参数[7]，前面板的输入部分包含树莓派IP地址输入、远程端口输入、单价输入，显示部分包含重量显示、总计显示以及测量的日期和时间显示，前面板设计如图3所示。

图3 前面板设计

后面板也就是程序框图，本系统采用层叠式顺序结构，分为两帧，第一帧为TCP通信模块，调用了LabVIEW的TCP/IP库函数，用于接收树莓派发送的重量数据并显示，第二帧包括总价计算模块、测量日期时间显示模块和写入Excel表单模块。第二帧程序流程如下：首先使用条件结构判断LabVIEW是否接收到数据，如果条件为真，则输入单价，进行总价计算、显示测量日期时间，最后将重量、单价、总价、日期、时间全部转化为字符串，按顺序写入Excel表单。而如果条件为假，则不进行任何操作。后面板程序框图如图4所示。

3．实验结果

3．1．系统功能分析

本系统实现的功能有：测量显示物体的重量；设置物体单价；显示计算的总价；显示测量的日期时间；支持将每次测量的重量、单价、总价、日期和时间记录进Excel表格，方便用户过后查阅。

3．2．称重效果分析

数据采集模块采用带有托盘的电阻应变式传感器，信号处理模块采用HX711数模转换芯片，数据显示模块采用的是装有LabVIEW软件的PC机。控制模块采用树莓派3代B+型。当有重物放置在托盘上时，传感器会发生形变，结合相关模块运转，可以在PC机上显示测量结果（图5）。

图5 实际效果

为了验证电子秤和LabVIEW通过WiFi无线网络传输数据的可靠性，本实验将电子秤和PC机放置在间隔分别为5 m、20 m和50 m的位置，选用50 g、200 g、500 g的标准砝码进行测量，测量结果如表1所示。可知，5 m、20 m和50 m距离的测量结果一致，表明通过WiFi无线网络，电子秤可以在一定距离内实现与PC机信号数据的可靠传输，在实际使用场合，可解决传统电子秤电线的长、乱等问题，使用更简洁、方便。误差均在±1%内，能很好地实现物体的称重功能，满足一般场合对测量仪器精度的要求，可应用于快递物流、农贸市场、医药化工等领域。

表1 测量结果

Tab. 1 measurement results

4．结论

本设计的基于树莓派和LabVIEW技术的电子秤，借助WiFi网络，实现了电子秤和电脑上位机的连接；采用TCP/IP作为通信协议，数据传输实时性好；采用了电阻应变式传感器，其反应灵敏、适应性强，适用范围广；A/D转换器是24位的HX711芯片，其转换精度高；LabVIEW作为数据显示模块，提供了丰富的输入控件和显示控件，可按用户需求灵活设计人机交互界面，扩展性好，测量的数据直接写进Excel表格，可方便地实现一些高级功能，如记录/累计/平均/各种数值统计分析等。下一步将继续扩展称重的可移动性，通过LabVIEW的网络服务发布共享变量，在手机上使用Data Dashboard for LabVIEW软件来实现称重。

[1] 吴玉林，方鹏斌，严黎华．简易数字电子秤的设计[J]．咸宁学院学报，2010，30（12）：11-12．

[2] 王艳春，于晓敏，杨欣宇．便携式电子秤的设计[J]．齐齐哈尔大学学报：自然科学版，2003，19（4）：44-46．

[3] 程望斌．多功能智能电子秤的设计与实现[J]．湖南理工学院学报：自然科学版，2017，30（4）：28-31．

[4] 张慧，胡志刚．电阻应变式传感器的电子秤设计[J]．常州信息职业技术学院学报，2014，13（4）：17-20．

[5] 茆玉辰．基于LabVIEW的智慧实验室的设计与实现[J]．电脑知识与技术，2017，13（16）：46-48．

[6] 曾磊，张海峰，侯维岩．基于WiFi的无线测控系统设计与实现[J]．电测与仪表，2011，48（7）：81-83．

[7] 章蔚中，王颖．基于LabVIEW的智能电子秤设计[J]．南昌水专学报，2007，26（6）：67-69．

Design of Electronic Scale based on Raspberry Pie and LabVIEW

PAN Chunling

( Information Institute, Quanzhou Vocational & Technological College of Economy & Trade, Quanzhou 362000, Fujian, China )

An electronic scale design based on raspberry pie and LabVIEW is presented, including two parts: weighing hardware and LabVIEW display. The weighing hardware includes the raspberry pie controller, the resistance strain sensor, the A/D conversion chip HX711 and other modules. The LabVIEW can display the information of the weight of the object, the unit price of the object, the total price, the time and date of the display, and the form of the information. The system has a simple operation, high precision, and strong mobility, good real-time and so on.

raspberry pie, LabVIEW, electronic scale

TP368.2

A

1673-9639 (2018) 09-0054-04

2018-06-19

潘春玲（1982-），女，福建永春人，硕士，讲师，研究方向：应用电子技术。

（责任编辑 田 波）（责任校对 谢 勇）