基于樹莓派和LabVIEW的電子秤設計

潘春玲

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基于樹莓派和LabVIEW的電子秤設計

潘春玲

（泉州經貿職業技術學院 信息系，福建 泉州 362000）

提出了一種基于樹莓派和LabVIEW的電子秤設計，包括稱重硬件和LabVIEW顯示兩部分。稱重硬件包括樹莓派控制器、電阻應變式傳感器、HX711模數轉換芯片等模塊；LabVIEW可顯示物體重量、輸入物體單價、顯示總價及測量時間等信息，同時將信息記錄表單，本系統具有操作簡單、測量精度高、可移動性強、實時性好等優點。

樹莓派； LabVIEW； 電子秤

0．引言

由于傳統電子秤體積大、電線長、接線亂等問題，使得傳統電子秤的使用很不方便[1-2]。采用樹莓派和LabVIEW技術設計了一款新型電子秤，樹莓派和LabVIEW通過WiFi無線網絡以TCP/IP協議進行通信，在一定距離內實現電子稱與PC上位機數據信號的傳輸，省去了傳統電子秤電線的長、亂等問題，使電子秤使用起來簡潔、方便。與普通電子秤相比，新型電子秤在移動稱重上擁有更好的效果，只要樹莓派和LabVIEW在同一網絡內，在任何地方都能夠使用電子秤，并可將數據直接傳入計算機，通過Excel軟件進行相關數據的存儲和處理。

1．硬件設計

本系統主要由數據采集模塊、信號處理模塊、樹莓派控制器和數據顯示模塊組成。設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

樹莓派控制器是系統的核心，本系統選用的樹莓派型號為3代B+型，此型號的樹莓派基于ARM架構，可運行LINUX操作系統，具有有線網絡、無線網絡、藍牙等功能，其尺寸僅為：82 * 56*19.5 mm，重量50 g，具有體積小、重量低、功能齊全的優點。并具有GPIO口和音頻輸出口，GPIO口具有若干個輸入口和輸出口。樹莓派的GPIO口上有40個接口，此40個接口中除去專用的電源與地接口，至少還有26個通用I/0口。用戶只要使用軟件編程，就可通過GPIO接口，輕松實現樹莓派與各類傳感器的通信。

數據采集模塊采用電阻應變式傳感器，當有重物放置其上時，傳感器會發生機械形變，根據金屬的應變效應，該傳感器能將機械形變轉化為相應電阻值的變化，從而引起電阻兩端輸出電壓的變化，該輸出電壓為一模擬電壓，須經A/D變換后才能被樹莓派控制器處理，根據電壓的變化量進行相應換算，便可獲得物體的重量[3-4]。

為了使樹莓派能夠處理電阻應變式傳感器的輸出電壓，需要接入信號處理模塊，該模塊采用的是高精度的24位A/D轉換芯片HX711，其內部集成了時鐘振蕩、信號放大和A/D轉換等外圍電路，芯片的控制信號由樹莓派的管腳來驅動，數據傳輸采用串口通信方式。

數據顯示模塊采用的是裝有LabVIEW軟件的PC機。LabVIEW是一種廣泛應用于工業控制、學術研究和實驗室研究的開發環境，采用圖形化編程語言，將樹莓派和LabVIEW置于同一局域網，樹莓派控制器利用其無線模塊，通過TCP/IP協議與LabVIEW進行通信，LabVIEW可實時顯示樹莓派傳輸過來的數據，實現了一定距離內的數據傳輸[5]。

具體的實施過程為：首先將物體放置于電阻應變式傳感器上，使傳感器產生一個與重量有關的模擬電壓，該模擬電壓需經HX711芯片進行A/D轉換，樹莓派通過驅動程序讀取HX711芯片傳輸進來的數據，經過相關的算法得出重物的重量，接著樹莓派作為服務端，LabVIEW作為客戶端，利用WiFi無線網絡，通過TCP/IP協議進行網絡通信，樹莓派將得出的數據傳輸給LabVIEW，LabVIEW上就可顯示物體的重量，用戶還可根據實際情況輸入物體的單價，利用LabVIEW的數據處理功能和文件處理功能，計算總價，并將每次測量的數據保存在Excel表格中，方便用戶過后查閱。

2．軟件設計

軟件設計包括樹莓派上的數據采集程序、數據處理程序、TCP通信服務端發送程序，以及LabVIEW上的用戶圖形界面設計，TCP/IP、電子表格等庫函數的調用。系統程序流程圖如圖2所示。

2．1．系統程序流程分析

程序開始運行后，樹莓派首先對系統進行初始化設置，接著讀取HX711芯片傳過來的數據，計算后得出重物的重量，為了有足夠的稱重時間和精度，設置了10次的數據采集和數據處理循環操作，最后取10次重量的平均值作為本次測量的最終結果；接著樹莓派通過無線模塊發起TCP監聽，當接收到LabVIEW的主動連接信號后，立即發送本次測量的重量值。但由于LabVIEW使用TCP/IP協議，只支持字符串格式，因此樹莓派在發送數據之前要進行數據格式的轉換，發送結束后關閉連接。而LabVIEW端需調用TCP/IP庫函數進行網絡連接和數據接收，然后數據在面板上進行顯示，同時寫入Excel表格。

2．2．系統程序設計

2．2．1．數據處理程序設計

數據處理程序流程如下：首先初始化各功能模塊，接著采集電阻應變式傳感器信號，選擇HX711芯片的放大增益，啟動其模數轉換功能，待模數轉換結束后，根據模數轉換原理，計算出物體的重量。

圖2 系統程序流程圖

2．2．2．服務端程序設計

服務端程序采用C語言編寫，服務端程序使用了套接字（socket）組件，該組件提供bind()，listen()，accept()，send()等函數，利用該組件的函數和類定義可生成通過網絡通信的程序[6]。主要步驟如下：

1.創建socket；

2.指定主機地址和端口號，綁定socket；

3.通過listen()開始TCP監聽，等待連接；

4.通過accept()等待LabVIEW連接；

5.連接成功，通過send()傳輸重量數據；

6.數據傳輸完畢，關閉連接。

2．2．3．LabVIEW設計

在LabVIEW軟件平臺下，系統由前面板和后面板兩部分構成，前面板即是用戶界面，由各種輸入控件和顯示控件組成，用于輸入數據和顯示各種測量參數[7]，前面板的輸入部分包含樹莓派IP地址輸入、遠程端口輸入、單價輸入，顯示部分包含重量顯示、總計顯示以及測量的日期和時間顯示，前面板設計如圖3所示。

圖3 前面板設計

后面板也就是程序框圖，本系統采用層疊式順序結構，分為兩幀，第一幀為TCP通信模塊，調用了LabVIEW的TCP/IP庫函數，用于接收樹莓派發送的重量數據并顯示，第二幀包括總價計算模塊、測量日期時間顯示模塊和寫入Excel表單模塊。第二幀程序流程如下：首先使用條件結構判斷LabVIEW是否接收到數據，如果條件為真，則輸入單價，進行總價計算、顯示測量日期時間，最后將重量、單價、總價、日期、時間全部轉化為字符串，按順序寫入Excel表單。而如果條件為假，則不進行任何操作。后面板程序框圖如圖4所示。

3．實驗結果

3．1．系統功能分析

本系統實現的功能有：測量顯示物體的重量；設置物體單價；顯示計算的總價；顯示測量的日期時間；支持將每次測量的重量、單價、總價、日期和時間記錄進Excel表格，方便用戶過后查閱。

3．2．稱重效果分析

數據采集模塊采用帶有托盤的電阻應變式傳感器，信號處理模塊采用HX711數模轉換芯片，數據顯示模塊采用的是裝有LabVIEW軟件的PC機。控制模塊采用樹莓派3代B+型。當有重物放置在托盤上時，傳感器會發生形變，結合相關模塊運轉，可以在PC機上顯示測量結果（圖5）。

圖5 實際效果

為了驗證電子秤和LabVIEW通過WiFi無線網絡傳輸數據的可靠性，本實驗將電子秤和PC機放置在間隔分別為5 m、20 m和50 m的位置，選用50 g、200 g、500 g的標準砝碼進行測量，測量結果如表1所示。可知，5 m、20 m和50 m距離的測量結果一致，表明通過WiFi無線網絡，電子秤可以在一定距離內實現與PC機信號數據的可靠傳輸，在實際使用場合，可解決傳統電子秤電線的長、亂等問題，使用更簡潔、方便。誤差均在±1%內，能很好地實現物體的稱重功能，滿足一般場合對測量儀器精度的要求，可應用于快遞物流、農貿市場、醫藥化工等領域。

表1 測量結果

Tab. 1 measurement results

4．結論

本設計的基于樹莓派和LabVIEW技術的電子秤，借助WiFi網絡，實現了電子秤和電腦上位機的連接；采用TCP/IP作為通信協議，數據傳輸實時性好；采用了電阻應變式傳感器，其反應靈敏、適應性強，適用范圍廣；A/D轉換器是24位的HX711芯片，其轉換精度高；LabVIEW作為數據顯示模塊，提供了豐富的輸入控件和顯示控件，可按用戶需求靈活設計人機交互界面，擴展性好，測量的數據直接寫進Excel表格，可方便地實現一些高級功能，如記錄/累計/平均/各種數值統計分析等。下一步將繼續擴展稱重的可移動性，通過LabVIEW的網絡服務發布共享變量，在手機上使用Data Dashboard for LabVIEW軟件來實現稱重。

[1] 吳玉林，方鵬斌，嚴黎華．簡易數字電子秤的設計[J]．咸寧學院學報，2010，30（12）：11-12．

[2] 王艷春，于曉敏，楊欣宇．便攜式電子秤的設計[J]．齊齊哈爾大學學報：自然科學版，2003，19（4）：44-46．

[3] 程望斌．多功能智能電子秤的設計與實現[J]．湖南理工學院學報：自然科學版，2017，30（4）：28-31．

[4] 張慧，胡志剛．電阻應變式傳感器的電子秤設計[J]．常州信息職業技術學院學報，2014，13（4）：17-20．

[5] 茆玉辰．基于LabVIEW的智慧實驗室的設計與實現[J]．電腦知識與技術，2017，13（16）：46-48．

[6] 曾磊，張海峰，侯維巖．基于WiFi的無線測控系統設計與實現[J]．電測與儀表，2011，48（7）：81-83．

[7] 章蔚中，王穎．基于LabVIEW的智能電子秤設計[J]．南昌水專學報，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，碩士，講師，研究方向：應用電子技術。

（責任編輯 田 波）（責任校對 謝 勇）