電子秤作為生活中最常見(jiàn)的測量?jì)x器，被廣泛應用于各種場(chǎng)所。隨著(zhù)日用設備自動(dòng)化水平的快速發(fā)展，人們所用的電子秤也不斷更新。但 是，市場(chǎng)上的電子秤大多存在功能單一，人機界面不友好，測量誤差大等缺點(diǎn)。為此，本文以STM32單片機為控制基礎，使用四片箔式應變片組成惠斯登 電橋與高精度集成轉換芯片HX711相連接，設計一種可語(yǔ)音播報、連續測量、單價(jià)輸入、總價(jià)計算、總價(jià)累計、校準清零、液晶顯示、觸摸輸入以 及高精度的電子秤。

1.引言

物體質(zhì)量的測量，價(jià)格的計算，價(jià)格的累計存在于生產(chǎn)生活的 各個(gè)方面。一種具有多種功能,人機界面友好,測量精度高的電子秤 可在很大程度上提高使用效率。

本文采用四片箔式應變片組成一個(gè)惠斯登電橋。運用集成芯片 HX711對稱(chēng)重傳感器的模擬信號進(jìn)行A/D轉換，完成測量數據的采 集,后經(jīng)單片機對數據處理完成高精度的測量,隨后加上各種算法， 完成多種功能的計算;最后在配合液晶顯示，觸摸輸人，語(yǔ)音播報等 完成友好的人機交互。

2.系統組成

根據設計的需求,硬件上需要有稱(chēng)重傳感器,AD轉換電路,單 片機最小系統，按鍵輸人，顯示輸出,語(yǔ)音播報,以及電源模塊,其組 成的系統框圖如圖1。

3.稱(chēng)重傳感器的設計

3.1懸臂梁的設計

采用優(yōu)質(zhì)的鋁合金材質(zhì)(長(cháng)，寬，高分別為：190mm,20mm, 3mm),鋁合金具有塑造性強,硬度適中,彈性好等特點(diǎn),常作為電阻 應變式稱(chēng)重傳感器的懸臂梁。本次設計中對懸臂梁做了如下處理， 使其機械形變更加合理。

(1)在懸臂梁靠近支點(diǎn)(約1/3處)，下表面開(kāi)約1.5mm深的小槽。 使其產(chǎn)生的形變集中在一條線(xiàn)上，獲得更好的線(xiàn)性應變。

⑵在支點(diǎn)的另外一端，中間處固定一根5cm,下端具有通孔的螺絲釘。好處在于可使測量物體的重心集中在一個(gè)點(diǎn)上，便于提高 精度。

3.2測量電路的設計

設計中采用惠斯登電橋中的四臂測量接線(xiàn)法,此接線(xiàn)法能對系 統進(jìn)行包括溫度,濕度等外界干擾因素的補償。使系統不易受外界 因素的干擾，提高測量精度。

將R1和R4應變片粘貼于凹槽對應的上表面,R2和R3應變片粘 貼于下表面,這樣就完成了稱(chēng)重傳感器的設計。

4 .AD轉換器的設計

通過(guò)惠斯登電路可以得到極其微小的電壓差信號，一般情況下 我們需要再設計一個(gè)差分放大電路對信號進(jìn)行放大,然后再用精度 很高的AD轉換芯片進(jìn)行轉換,這樣得到的數據才能被單片機所能 使用。而市場(chǎng)上有了一款針對電子秤開(kāi)發(fā)的集成芯片HX711,由于 具有較高的精度,低廉的價(jià)格,故本次設計采用這款芯片。

HX711是一款專(zhuān)為高精度稱(chēng)重傳感器而設計的24位A/D轉換 器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比,該芯片集成了包括穩壓電源、片內 時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路,具有集成度高、 響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點(diǎn)。

將HX711的模塊與惠斯登電橋、單片機連接;通過(guò)HX711,就可 以將惠斯登電路所測微弱形變信號轉換成數字信號,傳送給STM32 單片機進(jìn)行數據處理。

5.單片機、液晶屏以及語(yǔ)音模塊的設計

單片機采用的是STM32F407ZGT6為處理器，該芯片具有運行 速度快，高達168M。大容量，1M的Flash, 196KB的RAM,以及自帶 FSMC接口。

電源模塊的設計采用DC-DC轉換芯片MP2359,該芯片具有寬 電壓輸人(6V-16V),穩壓5V輸出，電流可高達1A,這樣就不會(huì )因為 LCD功耗較大而驅動(dòng)不了。3.3V電壓的得到采用AMS117-3.3三端 穩壓芯片完成，這樣電源就設計完成。

L⑶液晶屏模塊采用的是ALIENTEK的4.3寸屏,控制器IC為 ILI9341,分辨率為480*800,16色真彩顯示，自帶觸摸屏。

語(yǔ)音模塊采用的是WT588D語(yǔ)音模塊，設計中采用一線(xiàn)串口控 制模式。該模式下,只需使用一個(gè)I/O口向模塊發(fā)送需要播報的語(yǔ)音 地址即可。為了便于編寫(xiě)程序代碼,可把語(yǔ)音‘0’加載到模塊的地址 0上,語(yǔ)音‘1’加載到地址1上,以此類(lèi)推,最后語(yǔ)音‘點(diǎn)’加載到地址10 上,語(yǔ)音‘元’加載到地址11上,這樣需要播報時(shí),發(fā)送相應的地址就 可以了。

通過(guò)液晶觸摸屏和語(yǔ)音模塊就可以很好的完成人機交互界面的設計。

6.軟件設計

6.1物體質(zhì)量處理

通過(guò)HX711轉換可以得到數字信號量,此時(shí),就可以用單片機 獲取數據。HX711模塊的輸出接口類(lèi)似于IIC接口，只有時(shí)鐘線(xiàn)和數 據線(xiàn)，按照該芯片的使用手冊，就可以讀出數據。

從HX711模塊獲取的數據并不能直接使用，它只是經(jīng)24位AD 轉換后的值。所以,需要處理,24位AD轉換除去最高位的標志位,其 有效數據位只有23位。滿(mǎn)量程為2A23次方,等于8388608。在測試中發(fā) 現低兩位可作為無(wú)效位去除，其原因在于AD轉換的精度過(guò)于高，在 不加砝碼的時(shí)候低兩位數值變化的厲害,因而將其舍去。最后可利 用的數據最大為83886。處理后的AD轉換值也不是我們需要的物體 質(zhì)量。因此，還需要對數據進(jìn)行處理，利用每一克質(zhì)量對應一個(gè)AD 轉換值，可以把這種對應關(guān)系通過(guò)數學(xué)方法擬合成一個(gè)函數，這樣 當測量物體質(zhì)量時(shí),就可以利用該函數求解出物體對應的質(zhì)量。試 驗中,通過(guò)對0-500克砝碼的多次測試，擬合出的函數如式1。

WEIGHT=1945.5-0.0238*AD_Value ⑴

可以看出該函數為一條單調遞減函數，通過(guò)該表達式就可以快 速求解出物體的質(zhì)量。

為了滿(mǎn)足多功能的需求以及減小系統自身的誤差，需要設置扣 重，校準功能。其程序實(shí)現代碼如式2。

REAL_WEIGHT=WEIGHT-XIAOZHENG-KOUZHONG

(2)

當需要校準時(shí),把REAL?EIGHT賦值給XIAOZHENG即可 實(shí)現校準,當需要扣重時(shí),把REAL?EIGHT賦值給KOUZHONG 即可實(shí)現扣重。

總價(jià)計算及總價(jià)累計計算,利用觸摸屏輸人的單價(jià)值即可計算 出當前物體的總計價(jià)格,當需要累加時(shí)，按下觸摸屏上對應的按鍵 區域即可實(shí)現累計。

6.2人機交互界面的實(shí)現

LCD顯示的最基本原理在于可以在指定的位置畫(huà)一個(gè)點(diǎn)，利用 這種原理,可以先對需要顯示的字符取模,再利用畫(huà)點(diǎn)實(shí)現顯示字 符。配合需要顯示的顏色,最終就可以設計出所需要的界面。

根據表1描繪過(guò)溫調節關(guān)斷時(shí)間TOTR時(shí)間隨溫度變化曲線(xiàn)如 圖6所示，從圖6可見(jiàn)TOTR時(shí)間和高溫時(shí)的溫度基本成線(xiàn)性關(guān)系。

觸摸按鍵的設計在于利用當用手指觸碰到屏幕時(shí)，單片機會(huì )接 收到兩個(gè)數據,分別為X軸的坐標值,Y軸的坐標值。根據觸碰的點(diǎn) 在哪一個(gè)區域內就可以判斷出是哪個(gè)按鍵被觸發(fā)，進(jìn)而實(shí)現按鍵輸 人功能。

當需要語(yǔ)音模塊播報時(shí)，把需要播報數字的每個(gè)位的數值解析 出來(lái)作為地址發(fā)送給語(yǔ)音模塊,當解析出‘點(diǎn)’時(shí)，發(fā)送地址10,最后 再發(fā)送地址11,播報‘元'就完成了語(yǔ)音播報的功能。

7.測量結果及誤差分析

根據擬合出的的函數可以將處理后的AD轉換值代人方程中， 求解出物體的質(zhì)量。測試中發(fā)現，在沒(méi)有加砝碼前，電子稱(chēng)重儀還是 有讀數,這為系統誤差,為此，需要在每次開(kāi)機時(shí)按下‘校正’按鍵清 零。另一方面由于應變片產(chǎn)生的形變是非直線(xiàn)的，但是因為是采用 曲線(xiàn)擬合的方法得到函數關(guān)系,測量結果的誤差是非常小的。因此， 產(chǎn)生的誤差來(lái)源最主要的就是物體重心的偏移，測量時(shí)物體晃動(dòng)。

8.結語(yǔ)

通過(guò)硬件與軟件的結合，可以很好的完成本次設計。而所選用 的STM32單片機自帶浮點(diǎn)數運算單元,可以大大提高小數運算能 力;LCD液晶屏的使用為人機交互界面提供了很好的顯示效果，極 大方便了用戶(hù)的使用。通過(guò)對不同質(zhì)量砝碼的多次測量，獲取多組 數據,然后用MATLAB或EXCEL軟件擬合出一個(gè)函數，這樣能明顯 提高測量的精度,減小測量誤差。在測試中發(fā)現0-50克,測量誤差穩 定在0.1%內,50-500克穩定在0.2%內,所以本設計實(shí)現了一種基于 STM32的多功能精密電子秤。