針對市場高精度電子秤具有高價(jià)位、大體積等問題，研制了智能化、便攜式、高精度電子秤；本設(shè)計(jì)采用電阻式應(yīng)變片傳感器 為前端信號采集單元，采集的信號通過信號調(diào)理電路處理即將信號進(jìn)行放大與A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)合STM32單片機(jī)控制器加以數(shù)據(jù)處理，并由外 鍵盤電路實(shí)現(xiàn)單價(jià)、金額輸入，由FTF顯示屏顯示稱重與金額。測試由標(biāo)準(zhǔn)砝碼校驗(yàn)，在0?50g,誤差在0.5g以下；50?500g,誤差為1g 以下，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。本設(shè)計(jì)成本低、便攜、智能滿足于日常需求，對小型精秤市場具有普遍推廣價(jià)值。

引言

稱重裝置已成為生活中不可或缺的一部分，大到重工業(yè) 生產(chǎn)，小至街頭小販。目前電子秤市場普遍存在基于89C51 系列芯片研制的電子秤，電子秤信號調(diào)理系統(tǒng)電路多以使 用集成電路芯片HX710A型單芯片處理為主，以內(nèi)部模擬 電路集成芯片改變以往的多元器件堆積焊接實(shí)現(xiàn)單一便捷結(jié) 構(gòu)化。

本文基于貼片式電阻應(yīng)變片傳感器研發(fā)的電子秤裝置， 結(jié)合STM32單片機(jī)控制與信號調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)在誤差范圍 0?50g內(nèi)小于0.5g，在50?500g內(nèi)小于1g的高精度測量， 設(shè)計(jì)一款便攜式、高靈敏度、低成本的智能電子秤裝置。

1.方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本方案設(shè)計(jì)有以下幾部分 組成：信號采集單元、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片 機(jī)、液晶顯示、鍵盤輸入、電源設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)采用BHF350-3AA型貼片式應(yīng)變片，具有價(jià)格 低、精度高和較好的線性特性。BHF高精密級系列電阻 式應(yīng)變片具有107循環(huán)使用壽命、靈敏系數(shù)的平均值分散 為0.5%、應(yīng)變計(jì)電阻對平均值公差為±0.1%等優(yōu)點(diǎn)其 性能均優(yōu)于BX系列精密級應(yīng)變片。適用于高精度傳感器 和高精度應(yīng)力分析。

電阻應(yīng)變片粘貼于懸梁臂一端，當(dāng)懸梁臂受力應(yīng)變時(shí)， 電阻應(yīng)變片上的阻值也隨之變化，使得電阻應(yīng)變上的電壓發(fā) 生變化。變化電壓的幅值信號經(jīng)后續(xù)處理實(shí)現(xiàn)稱量。當(dāng)懸梁 臂不受力時(shí)，應(yīng)變片不變形，無輸出電壓。

應(yīng)變片構(gòu)成的橋式等效電路如圖2所示，當(dāng)忽略電源 的內(nèi)阻時(shí)，由分壓原理可知：

AD7791轉(zhuǎn)換放大后的信號，由STM32將所得到的A/D值 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將秤取的重量由TFT顯示屏顯示出來，單 片機(jī)外加鍵盤輸入，可手動(dòng)調(diào)節(jié)物品單價(jià)，進(jìn)行累加計(jì)算。 電源設(shè)計(jì)部分按照各部分所需電壓分路調(diào)節(jié)輸出。

1.1硬件設(shè)計(jì)

（1）應(yīng)變片安放

傳感器設(shè)計(jì)采用等截面矩形結(jié)構(gòu)的懸梁臂結(jié)構(gòu)，如圖2所示，R1、R2為貼片式電阻應(yīng)變片粘貼于A端的懸梁臂X位置，且A端固定于支架上，B端為體秤受力端，當(dāng)受到向下拉力時(shí)，懸梁臂形變，同時(shí)應(yīng)變片也產(chǎn)生相同的形變，導(dǎo)致應(yīng)變片輸出電阻值發(fā)生變化。由物體受力分析可得在懸梁臂A端附近形變最為明顯，應(yīng)變片形變更明顯。

等截面懸梁臂為x處的應(yīng)變值為：

（2）信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)測量精度要求0?50g范圍內(nèi)誤差小于 0.5g,50?500g范圍內(nèi)誤差小于1g，電阻應(yīng)變片的溫漂效 應(yīng)明顯，而且容易受到激勵(lì)電壓的低頻變化的影響，我們選 用低漂移的低噪聲運(yùn)算放大器，同時(shí)還要考慮在高放大倍數(shù) 的情況下失調(diào)電壓和增益誤差不使ADC電路前端過載，我 們還要求選用的放大器是軌到軌的輸出性能，通過比較和測 試，我們最終選用ADA4S8-2這款精密運(yùn)算放大器作為前 端放大電路。ADA4528-2為雙通道運(yùn)放，具有2.2V至5.5V 的寬工作電源電壓范圍、高增益、出色的CMRR和PSRR 特性。失調(diào)電壓為2.5uV，失調(diào)電壓漂移為0.015uV/°C ,適 用于不容許誤差源的應(yīng)用，是精密放大應(yīng)用理想之選。

由兩個(gè)零漂移放大器組成了對稱式放大器結(jié)構(gòu)，這樣形 成了三運(yùn)放式儀表放大器的第一級，很好的自行校正了低頻 直流誤差，同時(shí)也抵消了 1/f噪聲的影響，但對兩個(gè)放大器 反饋電阻選擇要求較高，盡量做到完全匹配，因此我們選用 1%高精度電阻。增益可得：

如圖3所示，電容R5與R6置于運(yùn)算放大器的反饋環(huán) 路中，與R5和R6—起形成4.3Hz截止頻率的低通濾波器， 用于限制進(jìn)入Z-A型ADC的噪聲量。C5與R7、R8 —起形 成一個(gè)截止頻率為8Hz的差分濾波器，用以進(jìn)一步限制噪聲。 C3、C4與R7、R8—起形成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

由于ADA4528-2具有超低失調(diào)電壓和噪聲的高精度器 件，因此必須精心布置PCB安排，以使得芯片性得達(dá)到最 佳狀態(tài)，為減少輸出電流變化引起的電源干擾最小，保持較 短的電源走線，旁路電容應(yīng)盡可能靠近器件電源引腳等細(xì)節(jié)。

（3）二級放大及ADC電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過第一級前端放大后，需要再進(jìn)行一級放大以滿足 ADC電路的需要。由于我們選用AD7791這款ADC芯片， 內(nèi)置一個(gè)24位Z-A型ADC，其中含有一個(gè)可緩沖或無緩 沖差分輸入，使得內(nèi)部集成了一個(gè)差分輸入放大器電路， AD7791接受差分模擬輸入和差分基準(zhǔn)電壓。為適合低頻 測量應(yīng)用的低功耗、完整模擬前端，采用3V電源時(shí)，二者 的典型功耗為65 pA;采用5 V電源、禁用緩沖時(shí)，典型功耗為75 UA。

電路采用5V基準(zhǔn)電壓，峰峰值輸入范圍為10V，因此 LSB等于：

來自傳感器的10mVp-p滿量程信號在3.75Vp-p信號， 約為ADC量程的38%。較寬的模擬輸入有利于稱重傳感器 的失調(diào)電壓和增益誤差不會(huì)使ADC前端過載。雖然采用四 線式的貼片傳感器沒有檢測引腳，使得ADC的差分基準(zhǔn)電 壓引腳與勵(lì)磁電壓和地直接相連，導(dǎo)致了線路電阻上存在一 定的壓差，但仍能檢測精確出該電橋上產(chǎn)生的電壓。

(4)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 電源是一個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，一個(gè)良好的電源設(shè)計(jì)是系統(tǒng)穩(wěn) 定運(yùn)行的前提。電壓的波動(dòng)，將導(dǎo)致系統(tǒng)讀數(shù)稱量的精確度。 傳感器是通過壓力的改變使得電壓對電阻應(yīng)變片的輸出量變 化，電壓的不穩(wěn)定，直接導(dǎo)致信號采集的可靠性，同時(shí)不穩(wěn) 定的電壓將對后面放大電路、AD電路產(chǎn)生壓差失調(diào)、增益 誤差和噪聲干擾，使得系統(tǒng)無法工作。提升電源性能，會(huì)使 系統(tǒng)更優(yōu)良。電源設(shè)計(jì)如圖4所示。

TPS7350具有完善的保護(hù)電路，包括過流、過壓、電 壓反接保護(hù)。由電壓源7.2V輸出，經(jīng)兩個(gè)TPS7350電路轉(zhuǎn) 換為3.3V電壓，為單片機(jī)及顯示屏供電。

ADP3301-5.0是一款低噪聲調(diào)節(jié)器，輸入工作電壓范 圍3 V?12 V，并提供超過100毫安的負(fù)載電流，具有卓 越的電壓和負(fù)載調(diào)節(jié)，該ADP3301作為一般使用時(shí)僅需一 個(gè)0.47葉旁路電容輸出。

本設(shè)計(jì)中 ADP3301-5.0 電路為 AD7791、ADA4528-2 和稱重傳感器提供穩(wěn)定的5V電壓，外圍電路設(shè)計(jì)中加以去 耦電容、降噪電容，避免了電源、地層的噪聲在電路中的影響致使性能下降。

1.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是基于STM32單片機(jī) 的開發(fā)運(yùn)用，STM32F103RCT6芯片 以ARM Cortex-M3為內(nèi)核，最高工 作頻率為72MHz，片上集成64K字節(jié) SRAM，512K字節(jié)的FLASH容量，自 帶校準(zhǔn)RTC晶振，JTAG接口等。具有 極強(qiáng)的處理計(jì)算能力，并且開發(fā)環(huán)境易 搭建。非常適用于此次簡易電子稱的 數(shù)據(jù)處理。

鍵盤為4X4的數(shù)字鍵盤，除了簡 單的0~9的數(shù)字功能外，并由校準(zhǔn)、 去皮、單價(jià)、累加、歸零、等于代替其他鍵的功能。鍵盤 的輸入是以狀態(tài)機(jī)輸入判斷，STM32控制器具體需要執(zhí)行 的代碼取決于接收到的事件。所以，數(shù)據(jù)控制流程不能是 事先設(shè)定好的，它們的命令和選擇也就是用戶隨機(jī)輸入造 成的事件來驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)軟件分由A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換、鍵盤掃描模塊、液晶顯示模塊和主函數(shù)模塊。在開機(jī)初始化后，由前端傳感器采集信號，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換，傳送到STM32單片機(jī)控制器，有STM32進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換；同時(shí)判斷外部鍵盤是否有輸入響應(yīng)，若無，則STM32將處理的信號送至顯示屏，由顯示屏顯示秤取的重量；如果由外部響應(yīng)輸入，單片機(jī)根據(jù)輸入的信號事件，處理事故；并由顯示屏顯示輸入的數(shù)據(jù)

信號和單片機(jī)處理的結(jié)果。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5。

2.測試結(jié)果與分析

2.1測試結(jié)果

數(shù)據(jù)如表 1。

2.2測試分析與結(jié)論

測試結(jié)果滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，以空托盤為初始狀況，每 次累加5g重量的砝碼，稱重在0?50g時(shí)，測試所得數(shù)值 在標(biāo)準(zhǔn)砝碼0.5g誤差內(nèi)；稱重在50?500g時(shí)，測試所得 數(shù)值在標(biāo)準(zhǔn)砝碼的1g誤差內(nèi)。

本設(shè)計(jì)基于STM32控制，利用貼片式電阻應(yīng)變片傳感 器為信號采集單元，結(jié)合了 ADA4528-2芯片與AD7791等 芯片的優(yōu)質(zhì)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電子秤的精確稱量，測量結(jié)果可讀測 到小數(shù)點(diǎn)后兩位。更以低成本、高靈敏度、智能化、便攜式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為小型精秤市場帶來推廣性，適用于中藥材稱量、 金銀器秤量等區(qū)域?？稍诔丨h(huán)境下精確稱量工作，若在電 子秤四周加以透明玻璃罩，以減少外界環(huán)境對應(yīng)變片的影響， 測量結(jié)果將更加精準(zhǔn)。