為了實(shí)現高精度電子稱(chēng)重,采用電阻應變片組成應變電橋作為稱(chēng)重傳感器，利用24位A/D轉換芯片HX710A采集數 據，采用精密穩壓源TL431為A/D提供參考電壓，利用STM32H03單片機處理數據，通過(guò)鍵盤(pán)和液晶實(shí)現人機交互，設計了一 款高精度電子秤。文章給出了詳細硬件電路設計以及軟件程序流程,并進(jìn)行了實(shí)際制作和測試。結果表明該電子桿稱(chēng)重范圍 為5?500 g,稱(chēng)重誤差容0.5 g,具有設置單價(jià)和累加金額功能，以及去皮和計數功能。

0.引言

電子秤是集現代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù) 于一體的電子稱(chēng)量裝置，具有快速、直觀(guān)、精度高、操作簡(jiǎn) 單、多功能等優(yōu)點(diǎn)，與傳統的機械秤相比更符合計量管理 和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制要求1。國內從20世紀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、數字式電子秤和微機式電子秤三個(gè)階段0?？傮w而 言，電子秤的發(fā)展呈現出小型化、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) 現模擬量到數字量的轉換，最后經(jīng)過(guò)單片機對數據進(jìn)行處 理，通過(guò)鍵盤(pán)輸入和液晶顯示實(shí)現人機交互。

本文采用電阻應變片組成應變電橋W作為稱(chēng)重傳感 器，利用24位A/D轉換芯片HX710A采集數據，采用精 密穩壓源TL431為A/D提供參考電壓，利用STM32F103 單片機處理數據,通過(guò)鍵盤(pán)和液晶實(shí)現人機交互，設計了 —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,具有設置單價(jià)和累加金額以及去皮和計數功能。

1.系統總體方案

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)重傳感器轉換為與之成正比的電壓信號， 信號經(jīng)過(guò)采集處理后以模擬或數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、鍵盤(pán)模塊、數據存儲、報警模塊、液晶顯示、USB接 口、精密穩壓源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的電阻應變片組成應變電橋 實(shí)現物體重量到電壓量的轉換；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交互，可以實(shí)現輸入單價(jià)、操作去皮、顯示總重和總價(jià)、 計數、重新標定等功能；數據存儲模塊用于存儲歷史稱(chēng)重 數據、語(yǔ)音播報數據等；報警模塊可以播報重量、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.硬件電路設計

2.1稱(chēng)重傳感器電路

當懸臂梁一端受到托盤(pán)重物垂直方向的壓力作用時(shí), 其電阻應變片將因受力產(chǎn)生變形,從而導致電阻應變片的 電阻值隨之發(fā)生相應的變化，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)現模擬量到數字量的轉換，從而建立 輸出數字量與電阻應變電橋輸出量（托盤(pán)重物壓力引起） 之間的關(guān)系，可利用微處理器進(jìn)行后續的數據分析與處 理,最終通過(guò)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,如果電阻為電阻應變 片，則稱(chēng)為電阻應變電橋，目的是將應變片電阻值的變化 量轉換為電壓變化量以方便測量。實(shí)際工作中，采用同型 號的應變片接入惠斯頓電橋四臂，稱(chēng)為全橋結構，在應變 為零的初始狀態(tài)下，電橋平衡,沒(méi)有輸出電壓；在應變片承 受應變時(shí)，電橋失去平衡,有輸出電壓。

2.2高精度A/D采樣電路

電子秤測量精度為0. 5 g,最大稱(chēng)重為500 g,其內分 度為0. 5 g,最大分度數為1 000,采用24位A/D轉換芯片 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(shí),對應的滿(mǎn)額度差分 輸入信號巾雖值為±20 mV。

HX710A芯片內的時(shí)鐘振蕩器不需要外接任何器件, 芯片內集成數字溫度傳感器可直接讀出系統溫度用于溫 度補償，同時(shí)具備上電自動(dòng)復位功能，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,也可以直接選購薄膜式觸摸鍵盤(pán),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(gè)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(guò)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。揚聲器則在超出 測量范圍時(shí)發(fā)出鳴叫，在正常測量范圍時(shí)播報測重結果或計數結果。

2.5存儲與液晶顯示電路

最小控制系統采用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 系統原理圖如圖6所示。

3.軟件程序設計

系統工作時(shí),首先進(jìn)行系統初始化，對重量數據進(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，選擇執行按鍵的功能，將功能通過(guò)液晶顯示，最 終根據實(shí)際情況顯示出測試結果。電子秤的軟件程序流 程圖如圖7所示。

4.測試結果

4.1稱(chēng)重測量

采用標準砝碼進(jìn)行實(shí)際測量，測量數據如表1所示， 其中單位為g。根據測量數據可知，當稱(chēng)重質(zhì)量小于50 g 時(shí),稱(chēng)重誤差小于0.3 g;當稱(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)設置及金額累加測試

對不同重量的砝碼進(jìn)行單價(jià)設置,通過(guò)實(shí)際測量,對 被測物進(jìn)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果。

4.3電子秤去皮功能測試

通過(guò)增減砝碼來(lái)進(jìn)行去皮功能的測試,測試結果如表 3所示。實(shí)測時(shí),皮重和物重都采用標準砝碼.

4.4聲光報警功能測試

聲光報警的測試結果如表4所示。通過(guò)系統的實(shí)際 測試，當稱(chēng)重質(zhì)量低于5 g或高于500 g時(shí),系統藍或紅指 示燈亮且喇叭響起,在正常測試范圍內綠燈亮，且喇叭播 報測試結果。

4.5計數功能測試

計數功能的測試結果如表5所示。實(shí)際使用時(shí)，可以 先數10個(gè)同種小物件稱(chēng)重，然后設置計數值為10,當再 添加同種物件時(shí),即可實(shí)現自動(dòng)計數。

5.結論

本電子秤的設計在硬件電路方面，采用電阻應變片組成應變電橋并貼裝在白鋼刀懸臂梁上下兩側作為稱(chēng)重傳感器，采用24位A/D轉換芯片HX710A,結合精密穩壓源 TL431保證采樣電路參考電壓穩定,采用STM32最小系統 (包含數據存儲和液晶顯示模塊）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)際制作測試,稱(chēng)重范圍為5 ~ 500 g,稱(chēng)重誤 差與0.5 g,具有設置單價(jià)、累加金額以及去皮和計數功 能。