為了實現(xiàn)高精度電子稱重,采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋作為稱重傳感器，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單片機處理數(shù)據(jù)，通過鍵盤和液晶實現(xiàn)人機交互，設(shè)計了一 款高精度電子秤。文章給出了詳細硬件電路設(shè)計以及軟件程序流程,并進行了實際制作和測試。結(jié)果表明該電子桿稱重范圍 為5?500 g,稱重誤差容0.5 g,具有設(shè)置單價和累加金額功能，以及去皮和計數(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)和計算機技術(shù) 于一體的電子稱量裝置，具有快速、直觀、精度高、操作簡 單、多功能等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的機械秤相比更符合計量管理 和工業(yè)生產(chǎn)過程控制要求1。國內(nèi)從20世紀60年代中 期開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)字式電子秤和微機式電子秤三個階段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。

電子秤的基本工作原理是利用稱重傳感器將物體重 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,通常需要進行放大，然后通過高精度A/D采集實 現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過單片機對數(shù)據(jù)進行處 理，通過鍵盤輸入和液晶顯示實現(xiàn)人機交互。

本文采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋W作為稱重傳感 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 單片機處理數(shù)據(jù),通過鍵盤和液晶實現(xiàn)人機交互，設(shè)計了 —款高精度電子秤。其稱重范圍為5 ~500 g,稱重誤差與 0. 5 g,具有設(shè)置單價和累加金額以及去皮和計數(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,通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓信號， 信號經(jīng)過采集處理后以模擬或數(shù)字量的形式在儀表上顯 示出來。

高精度電子秤由稱重傳感器、高精度A/D采樣、STM32 單片機、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲、報警模塊、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。

稱重傳感器采用350 a的電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋 實現(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;鍵盤模塊和液晶顯示模塊用于人機交互，可以實現(xiàn)輸入單價、操作去皮、顯示總重和總價、 計數(shù)、重新標定等功能；數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲歷史稱重 數(shù)據(jù)、語音播報數(shù)據(jù)等；報警模塊可以播報重量、價格，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

2.1稱重傳感器電路

當懸臂梁一端受到托盤重物垂直方向的壓力作用時, 其電阻應(yīng)變片將因受力產(chǎn)生變形,從而導致電阻應(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行128倍放大，然后 再進行A/D采樣實現(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（托盤重物壓力引起） 之間的關(guān)系，可利用微處理器進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處 理,最終通過分析與計算反推得到物體質(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量。實際工作中，采用同型 號的應(yīng)變片接入惠斯頓電橋四臂，稱為全橋結(jié)構(gòu)，在應(yīng)變 為零的初始狀態(tài)下，電橋平衡,沒有輸出電壓；在應(yīng)變片承 受應(yīng)變時，電橋失去平衡,有輸出電壓。

2.2高精度A/D采樣電路

電子秤測量精度為0. 5 g,最大稱重為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,當參考電壓為5 V時,對應(yīng)的滿額度差分 輸入信號巾雖值為±20 mV。

HX710A芯片內(nèi)的時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 度補償，同時具備上電自動復(fù)位功能，簡化了初始化過程。

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，同時加上 濾波電容來提高抗干擾能力。

掃描方式,也可以直接選購薄膜式觸摸鍵盤,體積小巧,接 口方便。

2.4報警模塊電路

報警模塊電路原理圖如圖5所示。其中3個不同顏 色的發(fā)光二極管分別用于指示各種不同的測量范圍或狀 態(tài)，紅燈亮則表示超過500 g,藍燈亮則表示低于5 g,綠燈 亮則表示在正常測重范圍5 ~500 g內(nèi)。揚聲器則在超出 測量范圍時發(fā)出鳴叫，在正常測量范圍時播報測重結(jié)果或計數(shù)結(jié)果。

2.5存儲與液晶顯示電路

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

3.軟件程序設(shè)計

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

4.測試結(jié)果

4.1稱重測量

采用標準砝碼進行實際測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示， 其中單位為g。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，當稱重質(zhì)量小于50 g 時,稱重誤差小于0.3 g;當稱重質(zhì)量大于50 g時,稱重誤差小于0.5g.

4.2電子秤單價設(shè)置及金額累加測試

對不同重量的砝碼進行單價設(shè)置,通過實際測量,對 被測物進行金額小計，并對各項小計作求和處理，可獲如 表2所示的金額累計測試結(jié)果。

4.3電子秤去皮功能測試

通過增減砝碼來進行去皮功能的測試,測試結(jié)果如表 3所示。實測時,皮重和物重都采用標準砝碼.

4.4聲光報警功能測試

聲光報警的測試結(jié)果如表4所示。通過系統(tǒng)的實際 測試，當稱重質(zhì)量低于5 g或高于500 g時,系統(tǒng)藍或紅指 示燈亮且喇叭響起,在正常測試范圍內(nèi)綠燈亮，且喇叭播 報測試結(jié)果。

4.5計數(shù)功能測試

計數(shù)功能的測試結(jié)果如表5所示。實際使用時，可以 先數(shù)10個同種小物件稱重，然后設(shè)置計數(shù)值為10,當再 添加同種物件時,即可實現(xiàn)自動計數(shù)。

5.結(jié)論

本電子秤的設(shè)計在硬件電路方面，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)存儲和液晶顯示模塊）作為核心處理器，采用 矩陣式鍵盤方便人機交互。在軟件方面，算法合理、功能 全面。經(jīng)過實際制作測試,稱重范圍為5 ~ 500 g,稱重誤 差與0.5 g,具有設(shè)置單價、累加金額以及去皮和計數(shù)功 能。