長江大學電子信息學院 張惠婷 武洪濤

湖北理工學院機電工程學院 盧 楊

基于STM32的高精度瞬時供電電子稱

長江大學電子信息學院 張惠婷 武洪濤

湖北理工學院機電工程學院 盧 楊

本文設計了一種以STM32為核心的高精度電子稱，介紹了系統的總體結構框圖，重點闡述了稱重傳感器的工作原理，并完成了電子秤的軟件設計；采用開關控制瞬時供電測量，降低了功耗，提高了靈敏度，也隨之提高了穩(wěn)定性；通過智能化、溫度補償和非線性擬合等技術提高了測量精度。該電子秤的測量范圍為0～500 g，絕對誤差最大值為0．4g，滿量程最大相對誤差為0．08%。

電子秤；STM32；稱重傳感器；開關控制；瞬時測量

1.引言

當今,電子秤的發(fā)展趨向于集成化、數字化、智能化，然而，電子秤存在精度低、穩(wěn)定性差、自動化程度較低等問題。針對這一系列問題，本文采用STM32微處理器，AD620低漂移儀表放大器，MCP3208高精度AD轉換器，低功耗液晶顯示器構成電子秤的硬件系統，在測量方法上采用瞬時大電流供電測量，提高了傳感器靈敏度，降低了功耗，提高了測量電路的穩(wěn)定性。

2.總體方案

本系統有三個模塊組成，如圖1所示，傳感器及供電控制模塊、放大測量模塊、鍵盤顯示模塊。傳感器及供電控制模塊：應變片將承受的重量轉化成為電阻的變化，在電流的激勵下將電阻的變化轉化為電壓的變化（電流源在STM32的控制下，對應于ADC的測量時間產生激勵電流）。放大測量模塊：將傳感器輸出的信號放大到適合于ADC的輸入信號范圍，在由ADC實現模擬量到數字量的轉換，重量的計算由STM32通過軟件完成；鍵盤顯示模塊：完成運行模式控制、信息輸入和數據顯示。通信接口完成電子秤與其它設備（上位機操作平臺或測量控制網絡）的數據交換。

圖1 總體結構框圖

2.1 稱重傳感器的設計

稱重傳感器由全橋電路構成，如圖2所示，R1、R2、R3和R4為測量應變片電阻，R5、R6和R7為零點補償電阻，R8為限流電阻，bd為測量信號輸出節(jié)點。電阻應變片R1、R2、R3和R4因溫度改變引起的阻值變化是相等的，故可相互進行溫度補償，即利用全橋特性可解決溫漂問題。

圖2 全橋原理圖

脈沖信號的功率P = UIt / T，其中t / T為占空比。在一個周期T內，電源提供的電壓和電流相等的條件下，占空比越小，平均功率就越小，即降低了功耗，電阻應變片相應產生的熱量更少，故提高了電橋電路的熱穩(wěn)定性；如果平均功率一定，占空比越小，則供電電流就越大，傳感器輸出的信號就越大，靈敏度越高，后級放大電路的放大倍數相應減小，從而使整個系統的穩(wěn)定性提高。而直流供電情況下，占空比等于1，開關控制瞬時供電情況下，占空比取決于AD轉換器的時間，假設AD轉換時間為5ms，周期為1s，則占空比為2%，故本設計采用開關控制瞬時供電測量。

不考慮R5、R6和R7影響的情況下，差模輸出電壓：

然而在實際應用中，由于相同型號的電阻應變片阻值略有偏差，會影響電橋平衡，因此需設置預調平衡電路，在電路中增加電位器R6、電阻R5和R7(R5= R7)；R5和R7的大小決定了輸出電壓的調節(jié)范圍；在電阻應變片未產生形變的狀態(tài)下，微調電位器R6，使全橋電路的差模輸出電壓為零，解決平衡失調問題。

2.2 儀表放大電路的設計

該電路的主要功能是將全橋輸出的電壓信號以差模方式進行放大。此電路關系到后級AD采集結果的優(yōu)劣，則必須要具有低溫漂，高精度，高穩(wěn)定性；本設計采用高精度的儀表放大芯片AD620，因其具有低輸入失調電壓50μV，低輸入失調漂移0.6μV /°C的特點，可滿足本設計要求。根據測量數據可知，在直流供電情況下，稱重500g砝碼時，稱重傳感器輸出6mV電壓，AD轉換器采用3.3V供電，輸入的最大信號設為3.2V，則放大倍數Au=3.2/0.006=533，如果采取瞬時供電，電流增加10倍，放大倍數只需要53倍，而AD620芯片最大放大倍數可達10000，滿足設計要求。

圖3 模數轉換電路圖

圖4 主程序流程框圖

2.3 模數轉換電路的設計

將放大后的模擬量經過AD芯片轉換成數字量送給STM32處理。由于目前常用的ADC芯片的分辨率有8位、12位、16位、24位；根據公式：最小分度值，其中，n為ADC芯片分辨率的位數。本系統中的絕對誤差應小于0.5g，n=8時，，不滿足設計要求；而n=12時，，滿足設計要求且成本較低；本設計采用的是一款具有片上采樣和保持電路的12位逐次逼近型模數轉換器MCP3208；電路如圖4所示，通過MCP1541輸出精確的參考電壓提供給模數轉換芯片MCP3208；用運放OP07構成的二階低通濾波器對前級信號進行濾波處理然后遞交給MCP3208進行模數轉換。

3.軟件分析

控制系統基于STM32的開發(fā)環(huán)境，采用C語言編程方式進行軟件設計。圖4為電子秤主程序流程框圖，首先進入初始化子程序，然后將采集的數據進行處理，計算出重量，掃描到功能鍵按下后，進入功能鍵子程序執(zhí)行相應功能，當被稱重物需要去皮時，按下按鍵可以自動保存皮重數值，當不需要去皮時，將皮重設為“0”，計算出金額，最后將處理結果在液晶屏上顯示出來。電子秤的軟件設計主要實現以下功能：重量計算、信息輸入、模式控制、去皮處理、計算金額、數字顯示、數據輸出等。

表1 部分測試結果

4.數據分析

在秤盤上分別放入0～500g之間不同重量的砝碼，記錄下測量數據，如表1所示；利用Exeal表格繪制曲線，0～500g整體曲線繪制存在非線性誤差，故采用分段直線逼近可以進一步減小誤差。

從表1的圖表數據可知，該系統的非線性誤差很小，測量精度較高，實現在0～500 g范圍內,絕對誤差最大值為0.4g，根據公式：滿量程最大相對誤差為可知，滿量程最大相對誤差為0.08%。本設計中采用12位模數轉換器，最小分度值，B的值小于0.4g，實驗數據符合理論值。

5.結語

傳感器模塊采用開關控制瞬時供電測量，解決了電阻應變片的發(fā)熱嚴重問題，降低了功耗，提高了靈敏度，也隨之提高了穩(wěn)定性；通過智能化、溫度補償和非線性擬合等技術，進一步減小了系統的非線性誤差，提高了系統的測量精度，測量范圍為0～500 g，絕對誤差最大值為0.4g，滿量程最大相對誤差為0.08%。有精度高、耗能低、穩(wěn)定性好、自動化程度高等特點，具有很大的實用性，給用戶帶來了很大的便捷，具有很好的商業(yè)前景。

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武洪濤（1958－），男，副教授，研究方向：檢測技術與計算機應用。