為了實(shí)現(xiàn)高精度電子稱(chēng)重,采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋作為稱(chēng)重傳感器，利用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX710A采集數(shù) 據(jù)，采用精密穩(wěn)壓源TL431為A/D提供參考電壓，利用STM32H03單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過(guò)鍵盤(pán)和液晶實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計(jì)了一 款高精度電子秤。文章給出了詳細(xì)硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件程序流程,并進(jìn)行了實(shí)際制作和測(cè)試。結(jié)果表明該電子桿稱(chēng)重范圍 為5?500 g,稱(chēng)重誤差容0.5 g,具有設(shè)置單價(jià)和累加金額功能，以及去皮和計(jì)數(shù)功能。

0.引言

電子秤是集現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù) 于一體的電子稱(chēng)量裝置，具有快速、直觀、精度高、操作簡(jiǎn) 單、多功能等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的機(jī)械秤相比更符合計(jì)量管理 和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制要求1。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)60年代中 期開(kāi)始模擬指針式電子秤的研制和生產(chǎn),經(jīng)歷了模擬式電 子秤、數(shù)字式電子秤和微機(jī)式電子秤三個(gè)階段0。總體而 言，電子秤的發(fā)展呈現(xiàn)出小型化、智能化和模塊化的特點(diǎn)。

電子秤的基本工作原理是利用稱(chēng)重傳感器將物體重 量轉(zhuǎn)換為方便采集的模擬電壓量。傳感器輸出電壓量一 般很小,通常需要進(jìn)行放大，然后通過(guò)高精度A/D采集實(shí) 現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理，通過(guò)鍵盤(pán)輸入和液晶顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

本文采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋W作為稱(chēng)重傳感 器，利用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX710A采集數(shù)據(jù)，采用精 密穩(wěn)壓源TL431為A/D提供參考電壓，利用STM32F103 單片機(jī)處理數(shù)據(jù),通過(guò)鍵盤(pán)和液晶實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計(jì)了 —款高精度電子秤。其稱(chēng)重范圍為5 ~500 g,稱(chēng)重誤差與 0. 5 g,具有設(shè)置單價(jià)和累加金額以及去皮和計(jì)數(shù)功能。

1.系統(tǒng)總體方案

電子秤的工作原理是將作用在承載器上的質(zhì)量或力 的大小,通過(guò)稱(chēng)重傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓信號(hào)， 信號(hào)經(jīng)過(guò)采集處理后以模擬或數(shù)字量的形式在儀表上顯 示出來(lái)。

高精度電子秤由稱(chēng)重傳感器、高精度A/D采樣、STM32 單片機(jī)、鍵盤(pán)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警模塊、液晶顯示、USB接 口、精密穩(wěn)壓源T1431等電路模塊組成。供電可以采用USB 供電或者電池供電。其系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

稱(chēng)重傳感器采用350 a的電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋 實(shí)現(xiàn)物體重量到電壓量的轉(zhuǎn)換；A/D采用24位高精度 HX710A芯片，為了提高采樣精度,采用精密穩(wěn)壓源TL431 為A/D提供參考電壓;鍵盤(pán)模塊和液晶顯示模塊用于人機(jī)交互，可以實(shí)現(xiàn)輸入單價(jià)、操作去皮、顯示總重和總價(jià)、 計(jì)數(shù)、重新標(biāo)定等功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)歷史稱(chēng)重 數(shù)據(jù)、語(yǔ)音播報(bào)數(shù)據(jù)等；報(bào)警模塊可以播報(bào)重量、價(jià)格，指 示超量程等;USB接口可以用于供電或者程序下載。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1稱(chēng)重傳感器電路

當(dāng)懸臂梁一端受到托盤(pán)重物垂直方向的壓力作用時(shí), 其電阻應(yīng)變片將因受力產(chǎn)生變形,從而導(dǎo)致電阻應(yīng)變片的 電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，引起電橋輸出電壓的變化。 電橋輸出電壓經(jīng)過(guò)A/D采樣芯片HX710A,利用HX710A 內(nèi)部放大功能，將電橋輸出電壓先進(jìn)行128倍放大，然后 再進(jìn)行A/D采樣實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，從而建立 輸出數(shù)字量與電阻應(yīng)變電橋輸出量（托盤(pán)重物壓力引起） 之間的關(guān)系，可利用微處理器進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處 理,最終通過(guò)分析與計(jì)算反推得到物體質(zhì)量。

圖2所示為經(jīng)典的惠斯頓電橋,如果電阻為電阻應(yīng)變 片，則稱(chēng)為電阻應(yīng)變電橋，目的是將應(yīng)變片電阻值的變化 量轉(zhuǎn)換為電壓變化量以方便測(cè)量。實(shí)際工作中，采用同型 號(hào)的應(yīng)變片接入惠斯頓電橋四臂，稱(chēng)為全橋結(jié)構(gòu)，在應(yīng)變 為零的初始狀態(tài)下，電橋平衡,沒(méi)有輸出電壓；在應(yīng)變片承 受應(yīng)變時(shí)，電橋失去平衡,有輸出電壓。

2.2高精度A/D采樣電路

電子秤測(cè)量精度為0. 5 g,最大稱(chēng)重為500 g,其內(nèi)分 度為0. 5 g,最大分度數(shù)為1 000,采用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片 HX710A,由于(224 = 16 777 216)》1 000 = (1 024 = 210), 因而完全可以保障高精度。HX710A的輸入低噪聲放大 器的增益為128,當(dāng)參考電壓為5 V時(shí),對(duì)應(yīng)的滿額度差分 輸入信號(hào)巾雖值為±20 mV。

HX710A芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要外接任何器件, 芯片內(nèi)集成數(shù)字溫度傳感器可直接讀出系統(tǒng)溫度用于溫 度補(bǔ)償，同時(shí)具備上電自動(dòng)復(fù)位功能，簡(jiǎn)化了初始化過(guò)程。

高精度A/D采樣電路原理圖如圖3所示。其中精密 穩(wěn)壓源TL431為HX710A提供參考電壓和模擬部分供電 電壓，由于參考電壓不受電源電壓波動(dòng)影響，極大地提高 了采樣精度。數(shù)字部分供電采用普通電壓供電，同時(shí)加上 濾波電容來(lái)提高抗干擾能力。

掃描方式,也可以直接選購(gòu)薄膜式觸摸鍵盤(pán),體積小巧,接 口方便。

2.4報(bào)警模塊電路

報(bào)警模塊電路原理圖如圖5所示。其中3個(gè)不同顏 色的發(fā)光二極管分別用于指示各種不同的測(cè)量范圍或狀 態(tài)，紅燈亮則表示超過(guò)500 g,藍(lán)燈亮則表示低于5 g,綠燈 亮則表示在正常測(cè)重范圍5 ~500 g內(nèi)。揚(yáng)聲器則在超出 測(cè)量范圍時(shí)發(fā)出鳴叫，在正常測(cè)量范圍時(shí)播報(bào)測(cè)重結(jié)果或計(jì)數(shù)結(jié)果。

2.5存儲(chǔ)與液晶顯示電路

最小控制系統(tǒng)采用STM32H03系列單片機(jī)作為微處 理器，包括液晶顯示模塊和存儲(chǔ)模塊。STM32單片機(jī)最小 系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

3.軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí),首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)重量數(shù)據(jù)進(jìn)行 采集并進(jìn)行按鍵掃描，判斷是否超重以及按鍵是否按下。 通過(guò)判斷，選擇執(zhí)行按鍵的功能，將功能通過(guò)液晶顯示，最 終根據(jù)實(shí)際情況顯示出測(cè)試結(jié)果。電子秤的軟件程序流 程圖如圖7所示。

4.測(cè)試結(jié)果

4.1稱(chēng)重測(cè)量

采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示， 其中單位為g。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，當(dāng)稱(chēng)重質(zhì)量小于50 g 時(shí),稱(chēng)重誤差小于0.3 g;當(dāng)稱(chēng)重質(zhì)量大于50 g時(shí),稱(chēng)重誤差小于0.5g.

4.2電子秤單價(jià)設(shè)置及金額累加測(cè)試

對(duì)不同重量的砝碼進(jìn)行單價(jià)設(shè)置,通過(guò)實(shí)際測(cè)量,對(duì) 被測(cè)物進(jìn)行金額小計(jì)，并對(duì)各項(xiàng)小計(jì)作求和處理，可獲如 表2所示的金額累計(jì)測(cè)試結(jié)果。

4.3電子秤去皮功能測(cè)試

通過(guò)增減砝碼來(lái)進(jìn)行去皮功能的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表 3所示。實(shí)測(cè)時(shí),皮重和物重都采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼.

4.4聲光報(bào)警功能測(cè)試

聲光報(bào)警的測(cè)試結(jié)果如表4所示。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)際 測(cè)試，當(dāng)稱(chēng)重質(zhì)量低于5 g或高于500 g時(shí),系統(tǒng)藍(lán)或紅指 示燈亮且喇叭響起,在正常測(cè)試范圍內(nèi)綠燈亮，且喇叭播 報(bào)測(cè)試結(jié)果。

4.5計(jì)數(shù)功能測(cè)試

計(jì)數(shù)功能的測(cè)試結(jié)果如表5所示。實(shí)際使用時(shí)，可以 先數(shù)10個(gè)同種小物件稱(chēng)重，然后設(shè)置計(jì)數(shù)值為10,當(dāng)再 添加同種物件時(shí),即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)。

5.結(jié)論

本電子秤的設(shè)計(jì)在硬件電路方面，采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋并貼裝在白鋼刀懸臂梁上下兩側(cè)作為稱(chēng)重傳感器，采用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX710A,結(jié)合精密穩(wěn)壓源 TL431保證采樣電路參考電壓穩(wěn)定,采用STM32最小系統(tǒng) (包含數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和液晶顯示模塊）作為核心處理器，采用 矩陣式鍵盤(pán)方便人機(jī)交互。在軟件方面，算法合理、功能 全面。經(jīng)過(guò)實(shí)際制作測(cè)試,稱(chēng)重范圍為5 ~ 500 g,稱(chēng)重誤 差與0.5 g,具有設(shè)置單價(jià)、累加金額以及去皮和計(jì)數(shù)功 能。