自制简易电子秤（第一篇——ADC芯片）

只看该作者 · 2018-7-23 17:49

最近看到山西省电子设计大赛的一个题目——自制悬臂梁式简易电子称。具体题目要求如下：

这个题目好像是前年TI杯的一个题目。网上资料也比较多。

觉得这个题目应该很适合练手，于是就搞了一下。查了一番，觉得这个题目中的难点就是那个悬臂梁的制作与应变片的选择。这个应该属于机械、力学专业的人强项，对于我这个学控制的，还是有点挑战性的。那就先不搞传感器。我先自己买了一个商用的称重传感器（500g精度），以此作为标准先来测试我的程序。等程序方面没问题了，在集中精力去制作一个可以与商用传感器媲美的应变片式传感器。

好了，不懂的地方就不多说了，下面介绍一下我的程序思路：

首先传感器我们有了，就是类似与下面的这个东西：

它内部是一个应变片接成的惠斯通电桥，

之所以把应变片贴成电桥的形式，其实是为了弥补应变片因温度影响而带来的偏差。同样的温度下，四个应变片的阻值受温度影响的变化是一样的。这个一样的偏差就被桥式给平衡掉。从而避免了温度的影响。

这个东西能把受力转化为电压差，但是这个电压差非常微小，需要一个放大电路，又因为他是模拟电压，后面需要单片机处理的时候需要转化为数字电压。

所以我选用了CS1237 ADC芯片。它是一款高精度、低功耗 Sigma-Delta 模数转换芯片，内置一路 Sigma-Delta ADC ，一路差分输入通道和一路温度传感器， ADC 采用两阶 sigma delta 调制器，通过低噪声仪用放大器结构实现 PGA 放大，放大倍数可选： 1、 2、 64、 128。在 PGA=128 时，有效分辨率可达 20 位 (工作在 5V)

画的PCB小板：

后面就方便了，按照芯片手册给出的通信时序，2线SPI，读取内部转化的24位ADC数值，在按照公式计算出重量即可。

主控：STM32C8T6

LCD触摸屏实时刷新重量

在进行读写CS1237的时候，最重要的又是对其进行功能配置，一旦我们能够成功的配置并读取内部的控制字，那么后面的数据读取就不是问题。

查询芯片手册，可以看到它的功能配置时序图：

这个时序相对来说还是比较复杂的，因为它不是重复的，它分为以下8步：

我们按照这个要求，就可以比较方便的写出它的功能配置函数了。

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//先向cs1237中写入一个控制字

//写控制寄存器地址：0X65

//写入默认控制字：0X0C

void CS1237_write_config(unsigned char config)

{

        unsigned char i = 0;

        unsigned char _dat = 0x80;

        unsigned char count_i = 0;//溢出计时器

 

        SCLK_0;//时钟拉低

        

        mode_IPU();

        while(DOUT_IN() == 1)//芯片准备好数据输出，时钟已经为0，数据也需要等CS1237全部拉低为0才算都准备好

        {

                CS1237_delay_us(5000);

                count_i++;

                if(count_i > 150)

                {

                        SCLK_1;

                        DOUT_1;

                        return;//超时，则直接退出程序

                }

        }

        

        for(i=0;i<29;i++)// 1 - 29

        {

                One_CLK();

        }

        mode_Out_PP();

        //第30-36个时钟周期，输入寄存器的写或读命令字数据（高位先输入），这里是写，应输入0x65

        SCLK_1;CS1237_delay_us(30);DOUT_1;SCLK_0;CS1237_delay_us(30);//30

        SCLK_1;CS1237_delay_us(30);DOUT_1;SCLK_0;CS1237_delay_us(30);//31

        SCLK_1;CS1237_delay_us(30);DOUT_0;SCLK_0;CS1237_delay_us(30);//32

        SCLK_1;CS1237_delay_us(30);DOUT_0;SCLK_0;CS1237_delay_us(30);//33

        SCLK_1;CS1237_delay_us(30);DOUT_1;SCLK_0;CS1237_delay_us(30);//34

        SCLK_1;CS1237_delay_us(30);DOUT_0;SCLK_0;CS1237_delay_us(30);//35

        SCLK_1;CS1237_delay_us(30);DOUT_1;SCLK_0;CS1237_delay_us(30);//36

        

        One_CLK();//37，切换DOUT的方向  

        for(i=0;i<8;i++)// 38 - 45个脉冲，写入寄存器的配置数据（高位先写入）

        {

                SCLK_1;CS1237_delay_us(40);

                if((config & _dat) != 0)

                        DOUT_1;

                else

                        DOUT_0;

                SCLK_0;CS1237_delay_us(40);

                _dat >>= 1;

        }

        One_CLK();//46个脉冲，切换DOUT引脚，并且拉高DOUT引脚

}

其中最重要的是DOUT管脚的配置。因为他是双向管脚。

在输出的时候需要配置成推挽输出，读取的时候配成上拉输入。

但是要注意这里不能使用开漏加外部上拉电阻的形式，虽然在之前我用这种方式配置过双向IO口，但是不知道为什么，在这个芯片上面不能用。读不出数据。

我用逻辑分析仪看了波形之后，才发现时序在第38-46个时钟周期内，DOUT引脚没有反应。无法被拉高。

但是上面那个程序是能够与CS1237正常通信的。

建立了通信之后，就是读取内部寄存器存储的ADC数值了：

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/*

** 读取ADC数据，返回一个有符号数据

** 之前程序中是延时40us，输出数据有点慢，现改为延时10us，测试可以正常读出数据

*/

long int CS1237_Read_ADC(void)

{

        unsigned char i = 0;

        long int dat = 0;

        unsigned char count_i = 0;

        SCLK_0;        

        mode_IPU();

        while(DOUT_IN() == 1)

        {

                CS1237_delay_us(5000);

                count_i++;

                if(count_i > 150)

                {

                        SCLK_1;

                        DOUT_1;

                        return 0;//超时，则直接退出程序

                }

        }

                

        //获取24位有效转换

        for(i = 0; i<24; i++)

        {

                SCLK_1;

                CS1237_delay_us(10);

                dat <<= 1;

                if(DOUT_IN() == 1)

                        dat++;

                SCLK_0;CS1237_delay_us(10);        

        }

        //一共需要输入27个脉冲

        for(i=0; i<3; i++)

                One_CLK();

        

        mode_Out_PP();

        DOUT_1;

        

        i = 24 - ADC_BIT;

        dat >>= i;                //丢弃多余的位数

        

        return dat;

}

这里读出的是20位的ADC原始数据，离我们想要的重量数据还是有一定的差距。

把读取的数据用波形显示出来，可以发现增加砝码的时候数据的抖动还是非常大的。

所以我选择先对数据进行低通滤波，消抖滤波。让数据能很快的稳定下来。

其中消抖滤波部分：

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long int filter_eliminate_dithering(long int value)  

{  

   long int count = 0;  

   long int new_value = 0;  

        

   new_value = CS1237_Read_18bit_ADC(); 

        

   while (value != new_value)  

   {  

      count++;  

      if (count >= N)   

        return new_value;  

      new_value = CS1237_Read_18bit_ADC();  

   }  

        

   return value;      

}

思想就是对比几次输出的值，在一定的输出个数内，如果是不一样的，就更新数据，否则保持原始数据不变。

得到了稳定的ADC数据之后，就可以将ADC数据转化为重量了。

转化为重量的前提是传感器输出的数据和增加的重量是线性变化的。

那么就可以根据两点直线法，先读出一个没加重物的ADC值，在读出一个加了500g重物的ADC值，根据这两个点就可以确定一个线性关系。后面读出的ADC数据都可以根据这个线性关系进行结算重量。

感觉原理一旦说出来，逼格突然降低了好几个档次。。。。

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//根据ADC值计算实际重量

float get_weight(void)

{

        float dat = 0;

        unsigned long int dat_2 = 0;

        float dat_3 = 0;

        

        //读取ADC，并转化为单位：克

        dat = filter_eliminate_dithering(CS1237_Read_18bit_ADC());

        dat *= weight_coe;

        dat -= empty_coe;

        

        if(dat < 0)

                dat = 0;

        

        //前面K放大了1000倍，这里先除10，为了小数点后面的四舍五入

        dat_2 = dat / 10;

        //dat_2 /= 100;

        if(dat_2 % 100 > 5)

        {

                dat_2 /= 10;

                dat_2 += 1;

        }

        else

                dat_2 /= 10;

        //转换为小数输出

        dat_3 = (float)dat_2 / 10.00f;

        return dat_3;

        

}