北京信息科技大學(xué)，北京 100192

一、引言

自電子信息技術(shù)發(fā)展以來，尤其是各種傳感器的產(chǎn)生，許多傳統(tǒng)的工具被電子產(chǎn)品所替代。電子稱在稱重方面與傳統(tǒng)稱相對(duì)比，具有稱重方便、計(jì)算方便、量度精確等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于超市、工廠、商業(yè)以及零售業(yè)等多種公共場(chǎng)所。

本設(shè)計(jì)針對(duì)超市使用電子稱精度較低的缺點(diǎn)，提出了一種新的解決方案。在該方案中我們采用HX711，其內(nèi)部集成24位A/D模塊并具有放大電路，可以出處理接收到的小信號(hào)，提高了量測(cè)的精確度[5]。為了進(jìn)一步消除誤差，我們對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。最后進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，對(duì)天平的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評(píng)估[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電子稱的量程為5kg，精度為0.01g。

二、硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖見圖1所示，主要由以下四部分組成 ：稱重傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、液晶顯示?？梢詫?shí)現(xiàn)稱重、總價(jià)計(jì)算、設(shè)置單位價(jià)格等功能。

利用稱重傳感器采集因壓力變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓放大、濾波電路然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過相應(yīng)的處理后得出當(dāng)前所稱物品的重量及總額。最后通過液晶顯示顯示出來。此外，還可通過液晶顯示上的鍵盤設(shè)定所稱物品的價(jià)格。

1、稱重傳感器

考慮到成本和性能以及實(shí)現(xiàn)功能，我們最終選定的稱重傳感器為YZC-1B，該傳感器的參數(shù)見表1。

表1 YZC-1B傳感器的各項(xiàng)參數(shù)

2、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

高精度的A/D轉(zhuǎn)化芯片可以得到貨物的精度，在本設(shè)計(jì)中，采用了HX711來實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。HX711為一款高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)精度達(dá)0.01g，降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能。A/D 轉(zhuǎn)換模塊如圖2所示。

HX711模塊 A通道帶有128倍的信號(hào)增益，可以將5mV的電壓放大128倍，輸出24位的A/D轉(zhuǎn)化值，以多位數(shù)據(jù)的串口傳輸形式，輸送給單片機(jī)。串口通信線由管腳PD_SCK和DOUT 組成，分別與STM32的PC7、PC9相連。

3、液晶顯示模塊

在本設(shè)計(jì)中，我們采用TFT觸控屏作為顯示以及輸入設(shè)備。該部分在顯示重量、價(jià)格信息之外，還作為人機(jī)交互的接口來操作電子稱，比如設(shè)置單位價(jià)格、清零等操作。該部分結(jié)構(gòu)見圖3。

4、主控芯片

本設(shè)計(jì)采用意法公司的STM32F103作為主控芯片，該芯片采用cortex-m3架構(gòu)，最高工作頻率達(dá)72MHz，為實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供精確的頻率[4]。測(cè)量速度快，易于實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控。

三、軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測(cè)量，我們使用定時(shí)器中斷，當(dāng)檢測(cè)到貨物時(shí)開始開啟定時(shí)器中斷，每多少秒獲取一個(gè)數(shù)值，共采出多少個(gè)數(shù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行均值[1]處理，得到最后的數(shù)值。具體軟件流程圖見圖4。

四、系統(tǒng)標(biāo)定與補(bǔ)償

1、線性度的確定

采用標(biāo)注砝碼作為基準(zhǔn)，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。在標(biāo)定的過程中，盡量保證砝碼處于電子稱的測(cè)量區(qū)域中心，待測(cè)量值穩(wěn)定后，通過多次測(cè)量，記錄測(cè)量值如表1，并得到線性關(guān)系如圖5所示。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

使用最小二乘法擬合[2]，公式為：

其中，xi—代表砝碼質(zhì)量；

yi—代表顯示值。

從而求出，k≈0.98，b≈0.02，即y=0.98x+0.02。

2、溫度誤差的補(bǔ)償

當(dāng)輸入壓力的數(shù)值不變的情況下，外界溫度變化會(huì)引起傳感器輸出信號(hào)產(chǎn)生溫度漂移，影響物體質(zhì)量的測(cè)量精度。在相同壓力下，通過溫度計(jì)對(duì)外界溫度測(cè)量，可以得到當(dāng)前溫度下的的重量漂移，繼而繪制出R-T溫度阻值變化曲線。通過查詢HX711相關(guān)技術(shù)手冊(cè)可得到對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度下的補(bǔ)償系數(shù)，即可用于秤體的溫度重量補(bǔ)償和修正。

3、系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過標(biāo)定和誤差補(bǔ)償后，我們對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 測(cè)試結(jié)果

我們按照下式依次計(jì)算出每組數(shù)據(jù)的誤差值，再取平均可以得到，最后的誤差范圍：

其中，yi—顯示值；

xi—砝碼質(zhì)量。

最后得誤差率為0.1%。

經(jīng)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)秤重測(cè)量范圍0～5kg ，最小分辨 0.01g，誤差在0.1%左右。

五、結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明該方案電子稱具有精度高、體積小、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)，可以很好適應(yīng)日常生活需要。