蔣正金，王藝環(huán)，黃旭德，張朋強(qiáng)

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

基于STM32和HX710A的高精度電子秤

蔣正金，王藝環(huán)，黃旭德，張朋強(qiáng)

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

為了實(shí)現(xiàn)高精度電子稱重，采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋作為稱重傳感器，利用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX710A采集數(shù)據(jù)，采用精密穩(wěn)壓源TL431為A/D提供參考電壓，利用STM32F103單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過鍵盤和液晶實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計了一款高精度電子秤。文章給出了詳細(xì)硬件電路設(shè)計以及軟件程序流程，并進(jìn)行了實(shí)際制作和測試。結(jié)果表明該電子桿稱重范圍為5～500 g，稱重誤差≤0.5 g，具有設(shè)置單價和累加金額功能，以及去皮和計數(shù)功能。

稱重傳感器；應(yīng)變電橋；A/D轉(zhuǎn)換；單片機(jī)；電子秤

0 引言

電子秤是集現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)于一體的電子稱量裝置，具有快速、直觀、精度高、操作簡單、多功能等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的機(jī)械秤相比更符合計量管理和工業(yè)生產(chǎn)過程控制要求[1]。國內(nèi)從20世紀(jì)60年代中期開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(shù)字式電子秤和微機(jī)式電子秤三個階段[2]?？傮w而言，電子秤的發(fā)展呈現(xiàn)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重傳感器將物體重量轉(zhuǎn)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，然后通過高精度A/D采集實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過鍵盤輸入和液晶顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[3]。

本文采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋[4]作為稱重傳感器，利用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX710A采集數(shù)據(jù)，采用精密穩(wěn)壓源TL431為A/D提供參考電壓，利用STM32F103單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，通過鍵盤和液晶實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，設(shè)計了一款高精度電子秤。其稱重范圍為5～500 g，稱重誤差≤0.5 g，具有設(shè)置單價和累加金額以及去皮和計數(shù)功能。

1 系統(tǒng)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，通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換為與之成正比的電壓信號，信號經(jīng)過采集處理后以模擬或數(shù)字量的形式在儀表上顯示出來。

高精度電子秤由稱重傳感器、高精度A/D采樣、STM32單片機(jī)、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲、報警模塊、液晶顯示、USB接口、精密穩(wěn)壓源TL431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(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

稱重傳感器采用350 Ω的電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋?qū)崿F(xiàn)物體重量到電壓量的轉(zhuǎn)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(wěn)壓源TL431為A/D提供參考電壓；鍵盤模塊和液晶顯示模塊用于人機(jī)交互，可以實(shí)現(xiàn)輸入單價、操作去皮、顯示總重和總價、計數(shù)、重新標(biāo)定等功能；數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲歷史稱重數(shù)據(jù)、語音播報數(shù)據(jù)等；報警模塊可以播報重量、價格，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(shè)計

2.1 稱重傳感器電路

當(dāng)懸臂梁一端受到托盤重物垂直方向的壓力作用時，其電阻應(yīng)變片將因受力產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致電阻應(yīng)變片的電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，引起電橋輸出電壓的變化。電橋輸出電壓經(jīng)過A/D采樣芯片HX710A，利用HX710A內(nèi)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(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，從而建立輸出數(shù)字量與電阻應(yīng)變電橋輸出量(托盤重物壓力引起)之間的關(guān)系，可利用微處理器進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理，最終通過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(yīng)變片，則稱為電阻應(yīng)變電橋，目的是將應(yīng)變片電阻值的變化量轉(zhuǎn)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(yīng)變片接入惠斯頓電橋四臂，稱為全橋結(jié)構(gòu)，在應(yīng)變?yōu)榱愕某跏紶顟B(tài)下，電橋平衡，沒有輸出電壓；在應(yīng)變片承受應(yīng)變時，電橋失去平衡，有輸出電壓。

如圖2所示全橋應(yīng)變電路中，令：

Zi=Ri+ΔRi,Ri=R,ΔRi/Ri=kεi(i=1,2,3,4)

(1)

電橋的開路輸出電壓為：

(2)

若ΔRi?Ri，則電橋的開路輸出電壓為：

(3)

非線性誤差近似為：

(4)

將式(1)代入式(3)可得：

(5)

圖2所示電橋電源如果從恒壓源V供電改為恒流源I供電，且將電橋的四個橋臂都接入電阻，則有Zi=Ri(i=1,2,3,4)，則電橋橫跨電源的相鄰兩臂R1、R2的電流I1和R3、R4的電流I2分別為：

(6)

則電橋開路輸出電壓為：

(7)

2.2 高精度A/D采樣電路

電子秤測量精度為0.5 g，最大稱重為500 g，其內(nèi)分度為0.5 g，最大分度數(shù)為1 000，采用24位A/D轉(zhuǎn)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(dāng)參考電壓為5V時，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值為±20mV。

HX710A芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要外接任何器件，芯片內(nèi)集成數(shù)字溫度傳感器可直接讀出系統(tǒng)溫度用于溫度補(bǔ)償，同時具備上電自動復(fù)位功能，簡化了初始化過程。

高精度A/D采樣電路原理圖如圖3所示。其中精密穩(wěn)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影響，極大地提高了采樣精度。數(shù)字部分供電采用普通電壓供電，同時加上濾波電容來提高抗干擾能力。

2.3 矩陣式鍵盤電路

矩陣式鍵盤電路原理圖如圖4所示，其工作方式采用掃描方式，也可以直接選購薄膜式觸摸鍵盤，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500 g，藍(lán)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(nèi)。揚(yáng)聲器則在超出測量范圍時發(fā)出鳴叫，在正常測量范圍時播報測重結(jié)果或計數(shù)結(jié)果。

2.5 存儲與液晶顯示電路

最小控制系統(tǒng)采用STM32F103系列單片機(jī)作為微處理器，包括液晶顯示模塊和存儲模塊。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

3 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)工作時，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對重量數(shù)據(jù)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。通過判斷，選擇執(zhí)行按鍵的功能，將功能通過液晶顯示，最終根據(jù)實(shí)際情況顯示出測試結(jié)果。電子秤的軟件程序流程圖如圖7所示。

4 測試結(jié)果

4.1 稱重測量

采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行實(shí)際測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示，其中單位為g。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，當(dāng)稱重質(zhì)量小于50 g時，稱重誤差小于0.3 g；當(dāng)稱重質(zhì)量大于50 g時，稱重誤差小于0.5 g。

4.2 電子秤單價設(shè)置及金額累加測試

對不同重量的砝碼進(jìn)行單價設(shè)置，通過實(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(jié)果。

4.3 電子秤去皮功能測試

通過增減砝碼來進(jìn)行去皮功能的測試，測試結(jié)果如表3所示。實(shí)測時，皮重和物重都采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼。

4.4 聲光報警功能測試

聲光報警的測試結(jié)果如表4所示。通過系統(tǒng)的實(shí)際測試，當(dāng)稱重質(zhì)量低于5 g或高于500 g時，系統(tǒng)藍(lán)或紅指示燈亮且喇叭響起，在正常測試范圍內(nèi)綠燈亮，且喇叭播報測試結(jié)果。

4.5 計數(shù)功能測試

計數(shù)功能的測試結(jié)果如表5所示。實(shí)際使用時，可以先數(shù)10個同種小物件稱重，然后設(shè)置計數(shù)值為10，當(dāng)再添加同種物件時，即可實(shí)現(xiàn)自動計數(shù)。

5 結(jié)論

本電子秤的設(shè)計在硬件電路方面，采用電阻應(yīng)變片組成應(yīng)變電橋并貼裝在白鋼刀懸臂梁上下兩側(cè)作為稱重傳感器，采用24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX710A，結(jié)合精密穩(wěn)壓源TL431保證采樣電路參考電壓穩(wěn)定，采用STM32最小系統(tǒng)(包含數(shù)據(jù)存儲和液晶顯示模塊)作為核心處理器，采用矩陣式鍵盤方便人機(jī)交互。在軟件方面，算法合理、功能全面。經(jīng)過實(shí)際制作測試，稱重范圍為5～500 g，稱重誤差≤0.5 g，具有設(shè)置單價、累加金額以及去皮和計數(shù)功能。

[1] 甘慧娟.基于HX710A的高精度電子秤的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[C].中國職協(xié)2015年度優(yōu)秀科研成果獲獎?wù)撐募?中冊), 2015.

[2] 王德清,胡曉毅,賈宏,等.基于SPCE061A的高精密電子秤設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,31(5):83-85，89.

[3] 羅及紅.一種高精度的電子秤設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2010,18(8):1955-1958.

[4] 李銀偉.電阻應(yīng)變式數(shù)字智能稱重變送器設(shè)計[D].南昌：華東交通大學(xué),2011.

High-precision electronic scale based on STM32 and HX710A

Jiang Zhengjin, Wang Yihuan, Huang Xude, Zhang Pengqiang

(College of Mathematics Physics and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

In order to achieve the high precision electronic weighing, using the resistance strain gauge of strain bridge as weighing sensor, using 24 bits A/D conversion chip HX710A to collect data, using precision voltage source TL431 provides the reference voltage for the A/D, using STM32F103 microcontroller to process data, through the keyboard and LCD to realize human-machine interaction, and finally a high-precision electronic scale is designed. This paper gives the detailed hardware circuit design and software program flow, and completes the actual production and testing. The test results show that the electronic weighing range is 5～500 g, weighing error is 0.5 g or less, has the functions of unit price setting and the amount of accumulation as well as peeling and count.

weighing sensor; strain bridge; A/D conversion; single chip microcomputer; electronic scale

TM932

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.027

蔣正金，王藝環(huán)，黃旭德，等.基于STM32和HX710A的高精度電子秤[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(5)：91-94.

2016-10-09)

蔣正金(1980-)，男，博士研究生，工程師，主要研究方向：傳感器與電子技術(shù)應(yīng)用、數(shù)字圖像處理與算法。

王藝環(huán)(1996-)，女，本科生，主要研究方向：電子信息工程。

黃旭德(1995-)，男，本科生，主要研究方向：電子信息工程。