為了提高電子秤的抗干擾性和數據的準確性，介紹基于均值滑動(dòng)濾波算法和STM32 電子秤的設計。選用電阻應變片構成的惠斯通電橋傳感器采集重物信號，24 位 HX711 A/D 模塊完成電信號的放大和轉換，在 STM32 內實(shí)現軟件濾波，采用滑動(dòng)均值濾波算法，減小誤差，提高數據的準確度。通過(guò)軟硬件結合的方法進(jìn)行校正。矩陣鍵盤(pán)輸入控制指令實(shí)現設置單價(jià)、計算物品金額并實(shí)現金額累加和去皮等功能。實(shí)驗測試表明，該電子秤測量范圍是0～500 g，誤差不超過(guò)±1 g，稱(chēng)重反應靈敏，5 s 左右讀數穩定。

電子秤是一種通過(guò)作用在物體上的重力來(lái)測定該物體質(zhì)量的一種計量?jì)x器。因其操作簡(jiǎn)單、稱(chēng)量準確、體積小、稱(chēng)量速度快、讀數方便，被廣泛應用于商業(yè)貿易、醫院、學(xué)校、企業(yè)等部門(mén)。而懸臂式電子秤是一種鐵質(zhì)懸臂梁固定在支架上，懸臂梁上粘貼電阻應變片作為稱(chēng)重傳感器進(jìn)行感應相應重量變化的電子秤。提出一種在懸臂梁上粘貼電阻應變片構成惠斯通電橋作為稱(chēng)重傳感器采集數據，HX711 作為 A/D 轉換器，STM32為主控器的電子秤，采用滑動(dòng)均值濾波算法[4]，減小各種干擾和提高數據的準確性。

1.系統硬件設計

系統以 STM32 為控制核心，采用電阻應變片和精密電阻構成惠斯通電橋電路作為稱(chēng)重傳感器，通過(guò)電子秤專(zhuān)用的 HX711 A/D 芯片轉換成電信號并進(jìn)行放大處理，處理后的數據送到 STM32 中進(jìn)行處理，從數據中總結出，重量與電壓或者電阻的關(guān)系。通過(guò)它們之間的關(guān)系可以根據電壓變化得出相應的重量。TFT 液晶屏用于顯示各種參數，用矩陣鍵盤(pán)通過(guò) STM32 主控系統設置的指令執行相應的命令。系統框圖如圖1 所示。

1.1 電子秤的工作原理

設計選用電阻應變片粘貼在懸臂梁上作為稱(chēng)重傳感器來(lái)進(jìn)行重量信號的變換，把重量變換成電信號。當有重物放置到秤盤(pán)上時(shí)，懸臂梁發(fā)生彎曲，彎曲程度與放置物重量有對應關(guān)系。粘貼在上面的電阻應變片感應到相應的信號，輸出微弱的電壓信號。HX711 對這個(gè)電壓信號進(jìn)行放大和 A/D 轉換，轉換后的數字信號送給 STM32 控制核心進(jìn)行處理，先對數字信號進(jìn)行數字濾波等處理，在TFT 液晶屏上顯示出來(lái)。電子秤的結構圖如圖2 所示。

1.2稱(chēng)重傳感器

將電阻應變片貼在鐵質(zhì)懸臂梁適當的位置上，使它里面的金屬箔材隨著(zhù)尺子的彎曲一起伸縮，這樣電阻應變片的電阻就會(huì )隨著(zhù)應變片的伸縮按一定的規律變化。應變片就是應用這個(gè)原理，通過(guò)測量電阻的變化而對應變進(jìn)行測定。其電阻變化率為常數，與應變成正比例關(guān)系，即：

式中：R 為應變片的原電阻值； R 為伸長(cháng)或壓縮所引起的電阻變化；K 為材料的靈敏系數；ε 為測點(diǎn)處應變。

電阻的變化率可以通過(guò)惠斯通電橋間接測量。先對測量數據進(jìn)行統計、分析，然后用公式進(jìn)行計算。最終得出 R 與 R 的比例系數。使用惠斯通電橋[3] 電路，將電阻應變片的電阻變化轉換為電壓信號的變化，具有結構簡(jiǎn)單、靈敏度高、測量范圍大、線(xiàn)性度好且易實(shí)現溫度補償等特點(diǎn)。

對電橋電路的選擇進(jìn)行了簡(jiǎn)單的實(shí)驗后發(fā)現單臂的性能比雙臂和全橋的差，而雙臂和全橋的性能在各方面相差不大，從節省元件方面出發(fā)，故采用雙臂電橋電路?；菟雇姌螂娐啡鐖D3 所示，圖中 R2 和 R3 為電阻應變片，R1 和 R4 為精密電阻阻值均為 1 kΩ，其電阻應變片初始阻值均為1 kΩ。P1 為Uo，BT1 為E，則該電橋輸出電壓為：

由式（3）可知，Uo 與 R3 R3 成線(xiàn)性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差，而且電橋電壓靈敏度 Ku = E2 ，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補償作用。

1.3A/D 轉換器的選擇

HX711 是一款電子秤專(zhuān)用的高精度 24 位 A/D 轉換器芯片。芯片內部集成了電源、時(shí)鐘振蕩器等其他電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點(diǎn)。與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單。工作時(shí)是通過(guò)簡(jiǎn)單的數字控制和串口通信：所有控制由管腳輸入，芯片內寄存器無(wú)需編程，輸出數據編碼二進(jìn)制補碼。電路簡(jiǎn)單，易于控制和使用。芯片的分辨率高，系統測得的數據比較精確。電路如圖4 所示。

2.軟件設計

2.1模塊化子程序的設計

本程序設計使用的是 Keil Software 公司開(kāi)發(fā)的 MDK5 軟件，使用模塊化思想進(jìn)行編程，液晶屏顯示、矩陣鍵盤(pán)、A/D 模塊、極大極小值滑窗均值濾波子程序、定時(shí)器中斷以及字符字模處理顯示等子程序都以模塊的結構方式編寫(xiě)在不同的C 文件中，函數與參數變量使用頭文件進(jìn)行傳遞，使得程序結構清晰明朗，出現問(wèn)題易于查找糾正。程序流程圖如圖5 所示。

2.2滑動(dòng)均值濾波算法

經(jīng)過(guò) A/D 轉換后的數據信號存在著(zhù)很多干擾的信號，需要把無(wú)用的信號濾除掉，采用了極大極小值滑窗均值濾波算法。該算法是由均值滑動(dòng)算法演變而來(lái)。令 u(n) 為稱(chēng)重傳感器 n 時(shí)刻的采樣值，L 為滑窗均值濾波器的窗口長(cháng)度，則 n 時(shí)刻濾波器的輸出值 x(n) 為：

（4）由式（4）可知，滑動(dòng)均值濾波算法采集 L 個(gè)數據并分別存入 L 個(gè)內存單元，完成 L 個(gè)稱(chēng)重數據的初次采樣后，

每采樣一次 L 個(gè)內存單元按順序移出一個(gè)最初的數據，并移入本次采樣的數據，去除本次 L 個(gè)數據的最大最小值后，求取剩余 L - 2 個(gè)數據的均值。通過(guò)實(shí)驗和根據選用的A/D 轉換速率，選取 L = 10 ，這樣，在編程處理A/D模塊輸出的數據時(shí)，使用了去最值取均值的數字濾波法，從A/D 模塊讀回的每一個(gè)數據都要與前9 個(gè)數據中的最大最小值比較，并將比較后的10 個(gè)數中的最大最小值剔除，對剩余的8 個(gè)數據求平均，實(shí)現對誤差較大的數據進(jìn)行剔除，提高了系統的穩定性和抗干擾性。

3.實(shí)驗測試

通過(guò)軟硬件結合設計，對該系統進(jìn)行測試。測試使用標準砝碼，測試結果保留兩位小數。

 加入標準砝碼，將砝碼的質(zhì)量和相應的A/D 輸出值記錄在表 1，通過(guò)表 1 的數據找出砝碼質(zhì)量與 A/D 輸出值的關(guān)系。根據表1 的數據做出二維折線(xiàn)圖，如圖6 所示。

由上述對表1 的數據計算和它的相應曲線(xiàn)圖（圖6）可以得出，A/D 輸出值與砝碼質(zhì)量的比值逐漸減小，但是變化不大。因此可以根據 K 值和 A/D 輸出值來(lái)計算出物品的質(zhì)量。又因為尺子發(fā)生彈性形變后，由于各種原因不能恢復，所以測量值會(huì )存在一定的誤差。

加入標準砝碼，記錄砝碼質(zhì)量和實(shí)測質(zhì)量，并且計算出它的相對誤差，見(jiàn)表2。

4.結 論

本文研究基于均值滑動(dòng)濾波算法和 STM32 電子秤的設計與實(shí)現，將電阻應變片構成的惠斯通電橋作為稱(chēng)重傳感器采集重量信號，應用 HX711 完成信號的放大和轉換成數字信號，在 STM32 運用均值滑動(dòng)濾波算法對數據進(jìn)行濾波處理，減小干擾，提高數據的準確性。通過(guò)實(shí)驗測試，該電子秤可以測量 0～500 g 質(zhì)量，測量誤差小，具有一定的應用價(jià)值。