基于LabVIEW 的稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 瑜，閆 杰，王一嘯

（西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710077）

物料計(jì)量是工業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易流通中的重要環(huán)節(jié)，稱重系統(tǒng)是不可缺少的。稱重效率直接影響生產(chǎn)和貿(mào)易流通的效率，也關(guān)系到企業(yè)的利潤[1]。目前，電廠、化工廠、鋼廠、物流倉庫[2]、交通運(yùn)輸系統(tǒng)[3]、超市中都有稱重系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)的機(jī)械秤重，電子稱重以高集成度、高精度、高智能化、低成本的優(yōu)勢(shì)無異于更具有廣闊的市場前景[4]。為了改進(jìn)傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者們開展了大量研究工作，2004 年中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的劉九卿等結(jié)合國內(nèi)外數(shù)字式智能稱重傳感器的發(fā)展與應(yīng)用情況，重點(diǎn)研究了整體型和分離型數(shù)字式智能稱重傳感器及其稱重系統(tǒng)的基本原理[5]。同濟(jì)大學(xué)的王碩等建立了實(shí)橋交通載荷模型，并利用對(duì)實(shí)橋交通載荷模型進(jìn)行修改試算的方法對(duì)橋梁的限載進(jìn)行了研究[6]。吉林大學(xué)的郭懷天等提出了電子天平的比例測量方法，有效地回避了大部分電壓源芯片輸出精度和輸出功率之間的矛盾，簡化了電源電路，降低了成本[7]。西安工業(yè)大學(xué)的張惠芳等采用Levenberg-Marquardt 優(yōu)化算法進(jìn)行最小二乘法擬合，能夠提高動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的測量精度[8]。

基于LabVIEW 的稱重系統(tǒng)采用HL-8 稱重傳感器獲得物體重量數(shù)據(jù)，通過HX711 高精度A/D 轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到Arduino 開發(fā)板中，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和存儲(chǔ)后，通過串口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)基于LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)采集、顯示、按照物品單價(jià)計(jì)算總價(jià)、找零、語音播報(bào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，便于查看和匯總歷史數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

基于LabVIEW 的稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由HL-8 稱重傳感器、HX711 高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊、Arduino UNO 開發(fā)板[9]、上位機(jī)等組成。稱重傳感器感受物體的重量，將表示物體重量的模擬量發(fā)送到HX711 高精度A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量放大后輸出，Arduino UNO開發(fā)板接收到HX711 高精度A/D 轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行運(yùn)算、存儲(chǔ)后將數(shù)字信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)[10]，由LabVIEW 上位機(jī)主面板程序模塊計(jì)算、顯示、語音播報(bào)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

HL-8 稱重傳感器的紅色接線端是電源正極，黑色接線端是電源地，分別和HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出正極（E+）和負(fù)極（E-）相連，給HL-8 傳感器供電，HL-8 傳感器可以接收信號(hào)，正常工作。HL-8 傳感器的白色接線端和綠色接線端分別是差分信號(hào)的負(fù)極和正極，連接HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的A-和A+。HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的GND 和VCC 接線端分別接Arduino UNO 的GND 和5 V，HX711 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的DT 和SCK 接線端分別連接Arduino UNO 的兩個(gè)I/O接口，DT 接線端連接Arduino UNO 的I/O 接口3，SCK接線端連接Arduino UNO的I/O接口2。HL-8、HX711、Arduino UNO 電路連接圖如圖2 所示。

圖2 HL-8、HX711、Arduino UNO電路連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

Arduino 是一款靈活便捷，可以跨平臺(tái)使用，非常友好的開源電子原型制作平臺(tái)。該次設(shè)計(jì)選用Arduino UNO R3 型號(hào)的開發(fā)板，采用USB 接口與電腦相連供電。Arduino UNO R3 開發(fā)板上有三個(gè)重要的LED 指示燈，分別為ON（電源指示燈）、TX（發(fā)送）和RX（接收）[11-12]。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于Arduino IDE 開發(fā)平臺(tái)，下位機(jī)具體程序流程如圖3 所示，通過Arduino UNO 讀取HX711 傳感器的數(shù)值，計(jì)算重量數(shù)據(jù)后，Arduino UNO 將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)[13]，延時(shí)后，判斷是否停止采集，如果收到停止采集命令，停止采集重量數(shù)據(jù)；如果沒有收到停止采集命令，Arduino UNO 再次讀取HX711 傳感器的數(shù)值。

圖3 下位機(jī)程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)基于LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW 的優(yōu)勢(shì)如下：LabVIEW 可以跨越多個(gè)平臺(tái)，LabVIEW 支持Windows、Linux 和Mac OS 等多種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，而且不需要任何輔助代碼就可以輕易實(shí)現(xiàn)，使交流更容易，溝通更靈活。LabVIEW 雖然以圖形的可視化編輯程序更方便，但仍保留對(duì)其他高級(jí)語言的包容性及支持其編程環(huán)境[14]。此外，LabVIEW 最大的優(yōu)勢(shì)是提供了各種各樣的圖形控件和其強(qiáng)大的圖形化編程能力，使枯燥乏味的編程環(huán)境漸漸變得有趣，應(yīng)用更廣，更容易被人接受和學(xué)習(xí)[15-16]。

稱重系統(tǒng)上位機(jī)分為六個(gè)模塊：數(shù)據(jù)庫模塊、語音識(shí)別播報(bào)模塊、數(shù)據(jù)匯總模塊、串口通信模塊、商品管理模塊和主面板程序模塊。

3.2.1 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫選用Microsoft Office 的Access 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。Access 可以處理多種不同類型的數(shù)據(jù)信息，界面友好、操作方便、用途廣泛、易于擴(kuò)展，能夠使用鏈接表訪問Excel 文件，進(jìn)行編輯和操作數(shù)據(jù)內(nèi)容等。預(yù)先在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)銷售的商品名稱、單價(jià)以及備注等信息，銷售時(shí)，在商品清單模塊更新數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)庫中保存的商品信息，便于銷售。讀取數(shù)據(jù)庫文件的程序前面板如圖4 所示，Access 數(shù)據(jù)庫中保存的商品信息如圖5 所示。

圖4 讀取數(shù)據(jù)庫文件的程序前面板

圖5 Access數(shù)據(jù)庫中保存的商品信息

3.2.2 語音識(shí)別播報(bào)模塊

語音識(shí)別播報(bào)模塊是在微軟推出的應(yīng)用編程接口API 的基礎(chǔ)上進(jìn)行文本識(shí)別后合成語音播報(bào)，進(jìn)行文本識(shí)別朗讀。首先，在程序中調(diào)用語音合成等子VI 到選擇列表，可用TTS 語音和可用音頻輸出設(shè)備的列表。然后檢查SPAI語音的狀態(tài)并報(bào)告是否完成與輸出設(shè)備的通信，接著，使用當(dāng)前的SAPI語音設(shè)置說話速度，最后，連接到輸入的文本字符串[17]，實(shí)現(xiàn)讀取文本框中的內(nèi)容并可以調(diào)節(jié)音量和語速。語音識(shí)別播報(bào)模塊前面板如圖6所示，在“Text to speak”文本框中輸入需要播報(bào)的語音，并調(diào)整好音量大小和語速，有英語和漢語兩種播報(bào)模式，漢語模式下可以播報(bào)英語也可以播報(bào)漢語，英語模式下只能播報(bào)英語。如果正在進(jìn)行語音識(shí)別播報(bào)，語音識(shí)別播報(bào)模塊前面板中的指示燈“Speaking...”點(diǎn)亮。

圖6 語音識(shí)別播報(bào)模塊前面板

3.2.3 數(shù)據(jù)匯總模塊

數(shù)據(jù)匯總模塊將稱重系統(tǒng)銷售后的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，包括銷售商品名稱、單價(jià)、重量和總價(jià)格，數(shù)據(jù)匯總模塊前面板如圖7 所示。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Excel 表格中，用戶可以根據(jù)需要打印，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，通過分析可以掌握商品的銷售情況，以便更好地經(jīng)營，提高效益。

圖7 數(shù)據(jù)匯總模塊前面板

3.2.4 串口通信模塊

VISA 可以控制串口、USB、以太網(wǎng)等，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，用戶無需學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議，使用方便，容易上手[18]。稱重系統(tǒng)選用VISA串口通信。需要在官網(wǎng)下載和LabVIEW版本對(duì)應(yīng)的VISA 并安裝。該系統(tǒng)的主要功能是LabVIEW 上位機(jī)程序通過串口讀取Arduino UNO 中的數(shù)據(jù)，需要使用四個(gè)函數(shù)：VISA 配置串口、VISA 寫入、VISA 讀取、VISA 關(guān)閉，這四個(gè)函數(shù)位于函數(shù)選板中的“儀器I/O”—“串口”選板[19-20]。

3.2.5 商品管理模塊

商品管理模塊配合數(shù)據(jù)庫模塊使用，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，讀取數(shù)據(jù)庫中的商品清單，包括商品名、單價(jià)和商品備注等。可以理解為數(shù)據(jù)庫是倉庫，商品管理模塊可以讀取倉庫里已有的商品信息。而且通過該模塊也可以添加新的商品，包括商品名稱、單價(jià)、圖片信息以及備注等，使稱重系統(tǒng)更加智能化。數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)更便捷，方便隨時(shí)了解商品的銷售信息。商品管理模塊前面板如圖8 所示。

圖8 商品管理模塊前面板

3.2.6 主面板程序模塊

主面板程序模塊是整個(gè)稱重系統(tǒng)的主要顯示模塊。包括“商品管理”按鈕、“報(bào)表生成”按鈕、“停止”按鈕、“顯示找零”按鈕、“去皮”按鈕、“確認(rèn)”按鈕、“COM 口”控件、“收到款”控件、“找零”控件、“總價(jià)”控件、“重量顯示”控件、“銷售清單”控件等。系統(tǒng)可以顯示重量、單價(jià)、商品名稱、總價(jià)格、根據(jù)收款面值顯示找零以及語音播報(bào)出售商品信息等功能。稱重系統(tǒng)的使用過程如下：首先，將Arduino UNO 和上位機(jī)相連，運(yùn)行LAbVIEW 上位機(jī)程序，接著，將物品放置在稱重傳感器上，稱重傳感器將壓力信號(hào)傳送到HX711 芯片，通過檢測電路將放大后的電信號(hào)傳送到Arduino UNO 開發(fā)板中，經(jīng)過存儲(chǔ)和處理后，上傳到上位機(jī)顯示重量，LabVIEW 上位機(jī)程序根據(jù)單價(jià)計(jì)算得出總價(jià)格，而且輸入收款金額時(shí)，可以計(jì)算出找零。最后，點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，語音播報(bào)出售的商品信息并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。主面板程序模塊前面板如圖9 所示。

圖9 主面板程序模塊前面板

4 結(jié)束語

該文以LabVIEW 為上位機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種稱重系統(tǒng)。稱重系統(tǒng)下位機(jī)利用HL-8 稱重傳感器采集物品重量數(shù)據(jù)，選用24 位高精度A/D 轉(zhuǎn)換模塊調(diào)理重量數(shù)據(jù)，利用Arduino UNO 將重量數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。基于LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將出售的商品信息進(jìn)行匯總，便于后續(xù)的分析和查閱。稱重系統(tǒng)上位機(jī)主要由數(shù)據(jù)庫模塊、語音識(shí)別播報(bào)模塊、數(shù)據(jù)匯總模塊、串口通信模塊、商品管理模塊和主面板程序模塊組成，可以實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)采集、顯示，按照物品單價(jià)進(jìn)行總價(jià)計(jì)算、找零、語音播報(bào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。