摘要:介绍一种以高性能STM32F101RB处理器为核心的电子计价秤系统,详细阐述了系统的硬件构架设计,给出了系统的主要软件编程思路及样机测试结果分析。该系统具有精确测量物重,日历时钟、环境温度、消费信息双显示,语音播报,大容量存储,打印,通信等丰富的功能。经实践证明该系统稳定可靠,具有较好的推广应用价值。
1 硬件总体设计思路
1.1 主控器件选型
本系统功能丰富,是一个典型的多输入多输出系统,需要处理大量的数据以达到系统速度和精度的要求并且简化电路设计,为此,选用了ST公司的STM32F101RB处理器作为主控制器。STM32F101xx系列是基于ARM Cortex-M3内核的32位基本型微控制器, STM32F101RB主频36MHz, 0等待的存储器访问;片上资源丰富,内嵌高达128K字节的闪存程序存储器和多达16K字节的SRAM,实时时钟(RTC), 51个多功能双向5V兼容的I/O口, 6个定时器, 1个12位模数转换器, 3个USART接口, 2个SPI同步串行接口,串行线调试(SWD)和JTAG调试接口。
1.2 系统构架
该系统结构框图如图1所示。称重传感器经CS5532模数转换后的数值及内部温度传感器转换后的数值,经主控制器STM32F101RB进行处理,然后通过液晶显示电路完成日历时钟、环境温度和被测物品重量、单价、总额等条目的显示功能;触摸屏控制芯片ADS7843将按键信息转换成电压信号交予主控器处理,实现设置单价,去皮和总额累加计算,主控器将数据处理后,通过打印机控制电路实现购物清单的打印;语音播报电路播报顾客此次消费总额并添加了许多特色声音;外扩SD卡极大扩充了系统存储空间,主控器还可以通过RS-485接口与PC机进行通信。
1.3 系统模块电路设计
1.3.1 模拟量采集电路
模拟量采集电路是系统最重要的部分,其设计的好坏直接关系到系统测量的精确度。本电路由CZL图2 系统模拟量处理通道原理图系列称重传感器、恒压源、仪用放大器和A/D转换芯片组成。模拟量通道原理图如图2所示。
根据需求,选择了20kg的CZL-6C型称重传感器,其输出灵敏度等参数均满足系统的设计要求,该传感器为力敏应变片,输出的信号幅值为1.8mV/V,输出信号的幅值与压力的信号成线性输出。本系统中选择±6V供电电压,满量程输出电压信号为:1.8mV/V×12V=21.6mV为保证传感器输出信号的稳定和精度,采用TL431高精度的基准电压源产生±6V电压为传感器的供电稳定电源。
由于传感器输出信号比较微弱且实际工作环境中存在大量的外界干扰,为此,选用具有24位精度,抗干扰能力很强的CS5532模数转换芯片。CS5532实现了Σ-Δ转换技术,可以满足本系统对ADC电路高分辨率、高精度的要求,支持SPI总线标准,与单片机接口十分方便,且输出的速率可编程。传感器的输出接入仪用放大器AD620,经过一级放大,输入具有超低噪声可编程增益的A/D转换器CS5532,最后送入主控器进行数据处理。
1.3.2 触摸屏控制电路
本系统设计人机界面操作采用电阻式4线触摸屏AT9503。触摸屏采用专用控制接口芯片ADS7843,它是一款具有同步串行接口的12位A/D模数转换器,具有低功耗和高速率等特性,被广泛应用在采用电池供电的小型手持设备中。该芯片具有SPI总线接口输入、触摸中断输出信号等电路,与主控器的接口十分方便。为保证系统采集的触摸屏位置信号的准确性,ADS7843内部基准电压采用精密基准源TL431提供。
通过触摸屏,操作员可以按键选定顾客所购之物名称从而调出商品的单价、金额等信息;并可以直接设置单价,输入收银员编号;还可以清楚地了解到当前的日期、时间、温度值等。
1.3.3 液晶显示电路
系统人机交互界面的液晶选用SHARP公司的256色320×240 5.6寸液晶屏,由于其控制较复杂,因此选择了一个能够支持该款液晶的控制接口板QD-13,主控器通过QD-13非常方便的实现对液晶屏的显示控制,编程简易,同时提高了处理显示的时间。面向顾客侧的显示采用128×64LCD点阵液晶显示器,显示结账信息,接口电路如图3所示。
1.3.4 温度测量电路
采用STM32F101RB内部集成温度传感器为系统提供工作环境的温度及系统温度补偿,以提高和实现称重系统的精度。温度传感器在内部和ADCx_IN16输入通道相连接,此通道把传感器输出的电压转换成数字值。使用时无需外接电路,可方便读取温度转换值。支持的温度范围: -40℃~125℃,精确度可达±1℃。
1.3.5 日历时钟、数据存储单元
STM32F101RB内嵌了实时时钟(RTC)。RTC有其单独的供电电路,内置的开关使其可由外接电池供电,或由主电源供电。为保证RTC在掉电情况下正常走时,设计电池供电电路,在正常工作运行时由电源供电,掉电由外部电池供电。通过软件编程实现日历时钟功能。
本系统中通过SD卡座外扩SD卡,极大的扩展了系统存储空间,可方便存储近千个商品价目表以及几千条销售日志。
1.3.6 语音播报电路
为了方便顾客结账,系统设计了语音报价功能,采用OTP型一次性编程芯片实现对数字及部分汉字的语音录放存储。根据程序选择预先编写到语音芯片内部的语音段,经LM386放大后推动扬声器的语音播放。
1.3.7 屏保电路
为保护液晶显示屏,延长其使用寿命,设计了屏保控制电路,配合软件控制实现在1min内无操作时,自动关闭液晶屏;一触屏幕即打开显示功能。
1.3.8 打印机控制电路
为实现打印购物明细清单功能,系统设计一串行接口的微型针式打印机,针式打印机接收主机送来的代码,经过打印机输入接口电路的处理后送至打印机的主控电路,在控制程序的控制下,产生字符或图形的编码,驱动打印头打印一列的点阵图形,同时字车横向运动,产生列间距或字间距,再打印下一列,逐列进行打印;一行打印完毕后,启动走纸机构进纸,产生行距,同时打印头回车换行,打印下一行;上述过程反复进行,直到打印完毕。打印机的接线原理极为简便,只要将打印机数据接收线和STM32F101RB的USART2_TX相连,地线相连,就可以实现打印机与主机之间的通信。
1.3.9 通信接口电路设计
在本系统中,主控机与PC机间采用RS-485实现数据的传输,主要考虑传输的距离可能较长,而RS-485的传输距离可达1200m。RS-485接口芯片采用SP485芯片。
2 系统的软件设计
本系统软件部分均采用C语言编写,程序可读性好,模块化结构设计,根据系统各部分的功能不同,分为多个模块,便于调试和移植。主程序主要完成参数初始化、触摸屏中触摸按键的识别、称重监测处理、打印及语音播报选择和液晶屏的显示等管理功能。利用主控器内部独立看门狗监控主程序,确保系统的稳定运行。系统软件以具有强大的Simulation设备模拟、性能分析等功能的KeilμVision3集成开发环境作为开发平台,便于程序调试;且STM32固件库提供了丰富实用的库函数,减少了软件开发的难度。主程序流程图如图4所示。
3 系统测试结果
3.1 砝码称重误差测试
在环境温度24℃~24.5℃的室内进行砝码称重测试,结果表明,误差不超过0.015%,因此系统具有良好的精确度。
3.2 打印机测试
打印机可以打印商品编号、商品名称、商品质量、商品单价、销售数量、销售金额、收银员交易日期和时间。
4 结语
本系统基于高性能STM32F101系列处理器进行电子计价秤系统的设计,具有独特的双显示及屏保功能,日历时钟,语音播报,打印输出,大容量存储及通信等诸多功能。经实际验证表明,系统体现了操作速度快、精度高、可靠性高、实现功能丰富完善的特点,以及人机交互方便友善的设计思想。
参考文献:
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[2]郑淑艳.基于AT89C51单片机的电子输送带秤控制系统设计[J].煤矿机械, 2008, 29(2): 195-197.
[3]翟霄翔,郝久玉,郑军.电阻式触摸屏在嵌入式系统中的应用[J].电子测量技术, 2006, 29(2): 36-37.
作者简介:蔺相斌(1984—),男,硕士研究生,研究方向为电力电子及电力传动。
(收稿日期:2009-12)
