基于薄膜壓力傳感器的稱質(zhì)量系統(tǒng)設計

何國康，張志勇，郭東升，袁 凱，伍鎣芮

（山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院，山西 太谷 030800）

稱質(zhì)量系統(tǒng)是將檢測與計算機技術(shù)、信息處理、數(shù)字技術(shù)等技術(shù)綜合到一起的稱質(zhì)量儀器[1]。本文設計了一種基于STM32控制器和薄膜壓力傳感器的電子稱質(zhì)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用方便，具有較好的應用價值。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為核心控制器，包括電阻式薄膜壓力傳感器、LCD液晶顯示屏、語音合成模塊、線性電壓轉(zhuǎn)換模塊等。本系統(tǒng)的整體設計示意圖如圖1所示，薄膜壓力傳感器根據(jù)被測物體質(zhì)量不同，輸出不同的電阻值，線性電壓轉(zhuǎn)換模塊將電阻值轉(zhuǎn)變?yōu)榕c質(zhì)量成線性關(guān)系的電壓信號，經(jīng)STM32F103C8T6采集運算，得到被測物的質(zhì)量值，利用LCD1602顯示模塊將稱質(zhì)量結(jié)果顯示出來，同時通過語音合成模塊對結(jié)果進行播報。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Thesystem overall block diagram

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 主控電路

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機作為核心控制器。STM32系列單片機基于ARM Cortex-M3內(nèi)核設計，功耗低、內(nèi)部資源豐富，具有較高的數(shù)據(jù)處理速度和靈活的編程功能[2]。利用它可以滿足電子稱質(zhì)量系統(tǒng)設計所需的采樣時間、運算速度及處理精度的要求。STM32F103C8T6單片機的最小系統(tǒng)電路如圖2所示。該單片機最小系統(tǒng)的組成有：電源電路、晶振電路、復位電路、去耦電容和調(diào)試下載電路。

圖2 STM32最小系統(tǒng)電路Fig.2 The STM32 minimum system circuit

2.2 電阻式薄膜壓力傳感器

系統(tǒng)傳感器采用FSR402電阻式薄膜壓力傳感器，這是一種柔性膜傳感器，可以適應不同表面形狀的壓力測量[3]。當被測物質(zhì)量改變時，作用在薄膜壓力傳感器表面的壓力會相應變化，傳感器輸出電阻值發(fā)生線性變化，質(zhì)量增加，電阻值減小，質(zhì)量減少，電阻值增加。

2.3 線性電壓轉(zhuǎn)換模塊

電壓轉(zhuǎn)換模塊連接薄膜壓力傳感器的電阻輸出端，將傳感器輸出的電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，可以讓主控芯片更加容易的讀取數(shù)據(jù)。其中V0接STM32的PA0，GND接STM32上的GND，VCC接STM32的3.3 V引腳，最大電壓3.3 V，輸出范圍可調(diào)。其電路設計圖如圖3所示。

圖3 線性電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Thelinear voltage conversion circuit

2.4 語音合成模塊

語音模塊使用SYN6288芯片實現(xiàn)快速聲音合成。SYN6288是2010年初由北京宇音天下科技有限公司推出的采用PSOLA拼接技術(shù)的文本語音芯片[4]。SYN6288接收要通過異步串行端口（UART）通信方法合成的文本數(shù)據(jù)，并執(zhí)行文本語音轉(zhuǎn)換（或TTS語音）[5]。在該設計中，該芯片提供了一組全雙工異步串行通信（UART）接口，用于和STM32進行數(shù)據(jù)傳輸,該模塊只需要和STM32F103C8T6單片機的四個引腳連接即可正常工作，分別是VCC接5 V供電，GND接GND，RXD接PB10，TXD接PB11。STM32通過串行端口將合成的音頻信息以命令幀的形式發(fā)送到SYN6288模塊。來自芯片的輸出信號通過功率放大器和揚聲器合成之后，結(jié)束語音合成。SYN6288模塊的電路設計圖如圖4所示。

圖4 SYN6288語音合成模塊電路Fig.4 The SYN6288 speech synthesismodulecircuit

2.5 液晶顯示電路

該系統(tǒng)的顯示界面選擇的是LCD1602液晶屏。它的內(nèi)部存儲器可以存儲一百多個點陣字符，可同時顯示2*16個字符[6]。工作電壓為5 V，功耗較低，通過內(nèi)部的8位數(shù)據(jù)總線和三個控制端口RS、R/W、EN實現(xiàn)字符的調(diào)用。電路設計原理圖如圖5所示。

圖5 LCD1602電路Fig.5 The LCD1602 circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括：初始化子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)值濾波子程序、運算子程序、顯示子程序、語音播報子程序及按鍵檢測子程序。稱質(zhì)量系統(tǒng)的控制模塊在接通電源之后，首先完成初始化狀態(tài)。在初始化完成判斷“稱質(zhì)量”功能按鍵是否按下，按鍵按下，則對壓力傳感器輸出的信號進行采集檢測，通過數(shù)字濾波減小測量誤差，經(jīng)過運算計算得出質(zhì)量值，將質(zhì)量值顯示在液晶顯示屏上。語音合成模塊就會將數(shù)據(jù)值播報出來。整體程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 The system program flow chart

4 結(jié)論

本稱質(zhì)量系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控核心，電阻式薄膜壓力傳感器在受到壓力后電阻值產(chǎn)生變化，通過線性電壓轉(zhuǎn)換模塊將電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后在LCD液晶顯示屏上顯示，并通過語音播報測量值。