該系統是以TI公司的32位ARM單片機TM4C123GH6PZ為核心控制器,實(shí)現了一種基于ARM單片機的高精度電子秤設計。電阻應變片采用差動(dòng)全橋連接方式,該電子秤稱(chēng)重范圍在0.2g至1000g;被稱(chēng)物體質(zhì)量低于200g時(shí),誤差低于0.2g;稱(chēng)重物體高于200g時(shí),誤差低于0.4g。該系統具有設置單價(jià)、金額及金額累加累減、去皮、支持多項付款方式、溫度時(shí)間實(shí)時(shí)顯示等功能,系統具有精確度高、稱(chēng)重范圍廣、靈敏度高、性能穩定等特點(diǎn)。 

1 .系統框圖簡(jiǎn)介

當秤盤(pán)上放入被秤物體后，電阻應變片受重力的影響產(chǎn)生形變，電阻值發(fā)生變化。應變片搭建的橋式電路會(huì )輸出微弱的電壓信號，微弱電壓信號由 HX711 內部集成放大器放大后經(jīng)過(guò)內部ADC 進(jìn)行采樣轉換后送到到 MCU，接收到的數據信息經(jīng)過(guò)線(xiàn)性擬合處理后送到 LCD 液晶顯示。系統能完成稱(chēng)重計算金額及金額累加、去皮及去皮范圍限制等基本功能，還能實(shí)現時(shí)間、溫度、報警、二維碼支付等擴展功能。系統總體框圖如圖 1 所示。

2 .理論分析與計算

2.1 電橋驅動(dòng)電路分析

如圖 2 所示當被測負載作用在彈性臂梁上使其發(fā)生彈性形變；通過(guò)粘性物質(zhì)使粘貼在感壓裝置上的電阻應變片發(fā)生形變，從而轉化成應變片的阻值大小變化；差動(dòng)電路將電阻應變片的阻值變化，轉化為與負載成正比的電信號輸出。其輸出的電壓為：

 （1）由公式 1 可知，理論上測量電路采用差動(dòng)

全橋測量，輸出電壓信號與電阻形變阻值大小成線(xiàn)性關(guān)系。國家標準的應變片阻值為60、120、200、350、500、1000Ω。鑒于大電阻小

電流，持續運行周期長(cháng)，信噪比高的情況，因此本系統采用阻值為 1KΩ 的電阻應變片。

2.2 模數（A/D）轉換器分析

HX711 為稱(chēng)重傳感器提供一個(gè)激勵電壓，有重物加載到稱(chēng)重傳感器上時(shí)，它輸出一個(gè)比較小的電壓信號；其在接收到這個(gè)電壓信號后，對信號進(jìn)行放大，然后進(jìn)行 A/D 轉換，直接變換成數字信號輸出給外部設備。

2.3 數據處理分析

由于溫差、沖擊力、浮塵等因素的影響，傳感器承受載荷與其輸出電壓之間并非都成線(xiàn)性關(guān)系。加上 ADC 的線(xiàn)性度不夠理想，使小稱(chēng)量和大稱(chēng)量區間的線(xiàn)性斜率不一樣。這兩種情況都會(huì )使稱(chēng)量線(xiàn)性度發(fā)生變化，造成某些點(diǎn)的稱(chēng)量誤差較大。采用分段校準測量值和分段計算測量值，可有效的減小測量值的相對誤差。

為了提高精度與穩定性本系統采用了數字濾波。其可以對頻率很低的信號進(jìn)行濾波 , 這是模擬濾波器做不到的 ; 數字濾波是用軟件算法實(shí)現的有效降低了成本。數字濾波可通過(guò)改變自身濾波參數對其進(jìn)行濾波。這對于低頻、脈沖干擾、隨機噪聲等別有效。

3.硬件設計

如圖 3 所示為電子秤專(zhuān)用 24 位模擬 / 數字（A/D）轉換模塊電路圖。其內部集成低噪聲可編程放大器可對電阻應變片產(chǎn)生的微弱信號進(jìn)行放大后進(jìn)行模數轉換，片內自帶穩壓電路、時(shí)鐘振蕩器和部分外圍電路，具有集成度高、響應快、抗干擾強等優(yōu)點(diǎn)，減少了外圍放大電路的成本和干擾。

TM4C123GH6PZ：采用 ARM Cortex-M4架構， 集成了 32 位可進(jìn)行 FPU 運算的浮點(diǎn)單元處理器，內部 Flash 為 256KB 的內存，其時(shí)鐘最高可達到 80MHZ，含有豐富的外圍借口如圖4 所示。

4.軟件設計

上電后初始化核心控制器及其外圍模塊，通過(guò)按鍵選擇 LCD 菜單選擇；通過(guò)確定鍵進(jìn)入不同功能的二級菜單，可以實(shí)現稱(chēng)重、設置單價(jià)計算金額、設置單價(jià)及金額累加、去皮、時(shí)間及溫度等功能。普通稱(chēng)重流程就是讀取 ADC 數據進(jìn)過(guò)數據擬合處理后送到 LCD 液晶顯示。設置單價(jià)計算金額功能流程就是在普通稱(chēng)重的基礎上再通過(guò)按鍵輸入單價(jià)，金額 = 單價(jià) × 重量，計算后送LCD 液晶顯示，如需掃碼付款，按支付鍵后掃描碼可。設置單價(jià)及金額累加就是在設置單價(jià)計算金額功能的基礎上累加金額即可。去皮功能流程就是先放入需要去掉皮重的物品，判斷皮重物品的重量是否超過(guò) 100g，超過(guò)則報警，沒(méi)超過(guò)就保存重量，再放入物品，由最后的重量減去皮重即可系統主程序設計流程圖如圖 5 所示。

5.實(shí)物制作與系統測試

實(shí)物制作如圖 6 所示。

表 1 為稱(chēng)重誤差測試表，通過(guò)表中誤差數據可以看出重量 <75g，誤差在 0.2g 以?xún)?。注：由于電子分析天平是精密儀器，表格中空白處砝碼重量過(guò)大，無(wú)法測量。

6.結論

 系統支架選用鐵選用鐵質(zhì)懸梁臂，系統硬件設計由大阻值應變片搭成差動(dòng)橋式測量電路，抗干擾能力及穩定性比較強。選用 24 位高精度 ADC，對測量的精度有很大的提高，由于應變片的安裝及整體機械架構的組建比較合理，該電子秤稱(chēng)重范圍在 0.2g 至 1000g；被稱(chēng)物質(zhì)量體低于200g 時(shí)，誤差低于 0.2g；稱(chēng)重物體高于 200g 時(shí)，誤差低于 0.4g。其它設置單價(jià)、金額及金額累加、去皮等功能增添了該系統的實(shí)用性，切合實(shí)際需求。該系統具有體積小、精確度高、性能穩定、成本低等特點(diǎn)。