基于薄膜压力传感器的称质量系统设计

2021-07-07何国康张志勇郭东升伍蓥芮

农业技术与装备 2021年5期

何国康，张志勇，郭东升，袁凯，伍蓥芮

（山西农业大学农业工程学院，山西太谷 030800）

称质量系统是将检测与计算机技术、信息处理、数字技术等技术综合到一起的称质量仪器[1]。本文设计了一种基于STM32控制器和薄膜压力传感器的电子称质量系统，该系统使用方便，具有较好的应用价值。

1 系统总体方案

本系统以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，包括电阻式薄膜压力传感器、LCD液晶显示屏、语音合成模块、线性电压转换模块等。本系统的整体设计示意图如图1所示，薄膜压力传感器根据被测物体质量不同，输出不同的电阻值，线性电压转换模块将电阻值转变为与质量成线性关系的电压信号，经STM32F103C8T6采集运算，得到被测物的质量值，利用LCD1602显示模块将称质量结果显示出来，同时通过语音合成模块对结果进行播报。

图1 系统总体框图Fig.1 Thesystem overall block diagram

2 系统硬件电路设计

2.1 主控电路

本系统采用STM32F103C8T6单片机作为核心控制器。STM32系列单片机基于ARM Cortex-M3内核设计，功耗低、内部资源丰富，具有较高的数据处理速度和灵活的编程功能[2]。利用它可以满足电子称质量系统设计所需的采样时间、运算速度及处理精度的要求。STM32F103C8T6单片机的最小系统电路如图2所示。该单片机最小系统的组成有：电源电路、晶振电路、复位电路、去耦电容和调试下载电路。

图2 STM32最小系统电路Fig.2 The STM32 minimum system circuit

2.2 电阻式薄膜压力传感器

系统传感器采用FSR402电阻式薄膜压力传感器，这是一种柔性膜传感器，可以适应不同表面形状的压力测量[3]。当被测物质量改变时，作用在薄膜压力传感器表面的压力会相应变化，传感器输出电阻值发生线性变化，质量增加，电阻值减小，质量减少，电阻值增加。

2.3 线性电压转换模块

电压转换模块连接薄膜压力传感器的电阻输出端，将传感器输出的电阻信号转换为电压信号，可以让主控芯片更加容易的读取数据。其中V0接STM32的PA0，GND接STM32上的GND，VCC接STM32的3.3 V引脚，最大电压3.3 V，输出范围可调。其电路设计图如图3所示。

图3 线性电压转换电路Fig.3 Thelinear voltage conversion circuit

2.4 语音合成模块

语音模块使用SYN6288芯片实现快速声音合成。SYN6288是2010年初由北京宇音天下科技有限公司推出的采用PSOLA拼接技术的文本语音芯片[4]。SYN6288接收要通过异步串行端口（UART）通信方法合成的文本数据，并执行文本语音转换（或TTS语音）[5]。在该设计中，该芯片提供了一组全双工异步串行通信（UART）接口，用于和STM32进行数据传输,该模块只需要和STM32F103C8T6单片机的四个引脚连接即可正常工作，分别是VCC接5 V供电，GND接GND，RXD接PB10，TXD接PB11。STM32通过串行端口将合成的音频信息以命令帧的形式发送到SYN6288模块。来自芯片的输出信号通过功率放大器和扬声器合成之后，结束语音合成。SYN6288模块的电路设计图如图4所示。

图4 SYN6288语音合成模块电路Fig.4 The SYN6288 speech synthesismodulecircuit

2.5 液晶显示电路

该系统的显示界面选择的是LCD1602液晶屏。它的内部存储器可以存储一百多个点阵字符，可同时显示2*16个字符[6]。工作电压为5 V，功耗较低，通过内部的8位数据总线和三个控制端口RS、R/W、EN实现字符的调用。电路设计原理图如图5所示。

图5 LCD1602电路Fig.5 The LCD1602 circuit

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括：初始化子程序、数据采集子程序、数值滤波子程序、运算子程序、显示子程序、语音播报子程序及按键检测子程序。称质量系统的控制模块在接通电源之后，首先完成初始化状态。在初始化完成判断“称质量”功能按键是否按下，按键按下，则对压力传感器输出的信号进行采集检测，通过数字滤波减小测量误差，经过运算计算得出质量值，将质量值显示在液晶显示屏上。语音合成模块就会将数据值播报出来。整体程序流程图如图6所示。