一種高精度電子秤的設(shè)計(jì)

李小龍 郭佑民 陳鵬 馬超

【摘要】通過對(duì)目前電子秤特點(diǎn)及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，從高精度的三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種以STM32作為主處理器的電子稱，對(duì)電子秤的工作原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。一些重要電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用內(nèi)部集成24位A/D轉(zhuǎn)換器和放大器的稱重傳感器專用芯片HX711對(duì)稱重傳感器輸出的小信號(hào)進(jìn)行處理，提高了電路的穩(wěn)定性。為了降低了電路的復(fù)雜程度，得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的測量結(jié)果，采用了中位值平均濾波法。

【關(guān)鍵詞】高精度;電子稱;STM32;HX711

Design of a high precision electronic balance

Lan Zhou Jiao Tong University Mechanical and electrical technology research institute ?LI Xiao-Long GUO You-Min CHEN Peng MA Chao

Abstract：Based on the analysis of electronic scale characteristics and its development trend and three key technologies of the high-precision，an electronics balance is designed with a STM32 host processor，while the work principle and block diagram of the system of electronic scales are highlighted.As well，some important circuits are designed.In this design，the stability of circuits is improved by using HX711 which integrates a 24 bit A/D converter and an amplifier.In order to reduce the complexity of the circuit and to have an accurate and stable measurement results，a median average filtering method is used.

Key words：high precision;Electronic Balance;STM32;HX711

1.引言

電子秤總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化;其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高;其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能;其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性[1]。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的電子秤，電路集成度低，大部分都采用分離的A/D轉(zhuǎn)換器加放大器的電路，并采用模擬電路實(shí)現(xiàn)非線性修正和溫度補(bǔ)償，存在電路復(fù)雜、準(zhǔn)確度低、可靠性差等一系列問題。國外生產(chǎn)的一些電子秤能夠達(dá)到較高的準(zhǔn)確度和可靠性，但他們使用的稱重傳感器的成本都非常高，這樣就使得整機(jī)的成本過高。

由于這些不足之處的存在，本研究設(shè)計(jì)一種高精度、低成本的電子秤。該設(shè)計(jì)采用HX711芯片對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用中位值平均濾波法進(jìn)行濾波。

2.電子秤工作原理

當(dāng)物體放在秤盤上時(shí)，壓力施加于稱重傳感器，稱重傳感器就會(huì)發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時(shí)激勵(lì)電壓也發(fā)生變化，輸出一個(gè)變化的模擬信號(hào)。由于該模擬信號(hào)比較弱，因此要經(jīng)放大電路放大后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成便于處理的數(shù)字信號(hào)輸出到主控制器，主控制器根據(jù)鍵盤命令以及相應(yīng)的程序?qū)⑦@種結(jié)果進(jìn)行處理并輸出到顯示器[2]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，因此，系統(tǒng)上無需另外的模擬電源。

MAX7219是一種集成化的串行輸入＼輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)碼管的LED顯示，整個(gè)設(shè)備包含一個(gè)150μA的低功耗關(guān)閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，一個(gè)掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數(shù)據(jù)，還有一個(gè)讓所有LED發(fā)光的檢測模式[3]。

3.高精度電子秤的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)高精度電子秤的主要技術(shù)有三個(gè)方面：準(zhǔn)確采集信號(hào)、準(zhǔn)確量化和低噪準(zhǔn)確的供電系統(tǒng)。

3.1 信號(hào)采集

稱重傳感器作為電子秤主要的部件之一，其性能直接決定了電子秤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。電子秤采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器作為物體質(zhì)量的電信號(hào)轉(zhuǎn)換器。電阻應(yīng)變式傳感器將四個(gè)電阻應(yīng)變片貼在彈性敏感元件，然后以適當(dāng)?shù)姆绞浇M成惠思登橋式電路，當(dāng)稱重傳感器不受載荷時(shí)，彈性敏感元件不發(fā)生應(yīng)變，貼在其上的應(yīng)變片不發(fā)生形變，應(yīng)變片的電阻不變，電橋平衡，輸出電壓為零;反之，傳感器輸出與被測載荷重量成比例的電壓信號(hào)[4]。

稱重傳感器屬于力敏感傳感器的范疇，電量的大小在變形體結(jié)構(gòu)類型和材料確定的前提下，僅與材料受力的大小有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)力和電量之間的轉(zhuǎn)換。由電橋電路原理，得出應(yīng)變片電壓輸出e0的大小是與外界所加電壓E、應(yīng)變片系數(shù)k0及應(yīng)變量大小ε成正比的，即e0=Ek0ε/2。直接測量當(dāng)重物放到衡器上時(shí)，傳感器輸出響應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。

3.2 信號(hào)量化

由于傳感器輸出的模擬信號(hào)比較微弱，因此必須通過一個(gè)模擬放大電路對(duì)其進(jìn)行放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求。目前的電子秤多采用分離的A/D轉(zhuǎn)換器以及放大器組成相關(guān)電路，分別對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行處理。這樣，不但增加了電路的復(fù)雜程度，從而使得電路的穩(wěn)定性降低，并且容易受到外界環(huán)境的干擾。對(duì)于精度要求高的電子秤來說，這種由于電路復(fù)雜度造成的不穩(wěn)定性會(huì)更加明顯。

圖2

為了避免以上問題，本文采用了一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器HX711芯片。與其他芯片相比，該芯片集成了放大器、穩(wěn)壓電源和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，降低了電子秤的制作成本和電路的復(fù)雜度，提高了測量結(jié)果的可靠性。其原理圖如圖2所示。

該方案使用內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器（XI=0），10Hz的輸出數(shù)據(jù)速率（RATE=0）。電源（2.7～5.5V）直接取用與MCU芯片相同的供電電源。片內(nèi)穩(wěn)壓電源電路通過片外PNP管S8550和分壓電阻R1、R2向傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的低噪聲模擬電源。穩(wěn)壓電源的輸出電壓值（VAVDD）由外部分壓電阻R1、R2和芯片的輸出參考電壓VBG決定，VAVDD=VBG（R1+R2）/R2[5]。

3.3 低噪穩(wěn)定的供電系統(tǒng)

低噪聲穩(wěn)定的電源系統(tǒng)是高精度電子秤必不可少的，低噪聲電源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)?？梢圆捎肁MS1117系列芯片及外圍電路來實(shí)現(xiàn)，如些圖3所示：

圖3

AMS1117是一個(gè)低漏失電壓調(diào)整器，它的穩(wěn)壓調(diào)整管是由一個(gè)PNP驅(qū)動(dòng)的NPN管組成的，漏失電壓定義為：VDROP=VBE+VSAT。片內(nèi)過熱切斷電路提供了過載和過熱保護(hù)，以防環(huán)境溫度造成過高的溫結(jié)[6]。

3.4 其他一些關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1 高時(shí)鐘頻率低功耗的單片機(jī)STM32

需要稱重的物體經(jīng)過傳感器得出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量并不是重物的實(shí)際重量值，實(shí)際重量值需要由數(shù)字量在顯示器內(nèi)部經(jīng)過一系列的運(yùn)算才能得到。這一系列的運(yùn)算是由裝在電子秤中的主控制器來完成的;電子秤的整個(gè)工作過程也都是在主控制器的控制下進(jìn)行。

目前的電子秤多采用51單片機(jī)這類功能較簡單、時(shí)鐘頻率較低的單片機(jī)，這樣，就存在稱量速度慢、不易擴(kuò)展復(fù)雜功能的弊端，為此，該設(shè)計(jì)采用目前面上使用廣泛的以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32單片機(jī)作主控制器。

該設(shè)計(jì)采用的STM32F103系列單片機(jī)，該芯片有高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求[7]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用STM32為主控制器的電子秤，稱量速度快，充分預(yù)熱后，10s左右即可達(dá)到穩(wěn)定讀數(shù)。

3.4.2 中位值平均濾波法

傳感器輸出的信號(hào)不但微弱，而且往往具有各種無益的雜波。因此，在傳感器輸出與放大電路之間往往采用濾波電路或者一些電抗元件來改善脈動(dòng)成分。為了改善電路復(fù)雜度，降低功耗，提高電路穩(wěn)定性，沒有采用硬件濾波的方法，而是將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字濾波的方法，從而降低了電路復(fù)雜度，提高了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。此外，該設(shè)計(jì)采用的是中位值平均濾波法。

中位值平均濾波法又叫防脈沖干擾平均濾波法，相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”，連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，N值的選?。?～14。濾波公式為：

式中：—濾波后的結(jié)果，—第i次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，MAX—N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值，MIN—N個(gè)數(shù)據(jù)中的最小值。

中位值平均濾波算法融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)，即能有效克服因偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差;適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這種濾波的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在這一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)[8]。

具體濾波程序代碼如下：

#define N 12

char filter（）

{

char count，i，j;

char value_buf[N];

intsum=0;

for （count=0;count

{

value_buf[count]= get_ad（）;

delay（）;

}

for （j=0;j

{

for （i=0;i

{

if （value_buf[i]>value_buf[i+1]）

{

temp=value_buf[i];

value_buf[i]=value_b

uf[i+1];

value_buf[i+1]=temp;

}

}

}

for（count=1;count

sum += value[count];

return （char）（sum/（N-2））;

}

為了觀察濾波效果，編寫了STM32的串口通信程序，并用串口連接到電腦，通過串口調(diào)試助手顯示單片機(jī)從芯片HX711轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。對(duì)傳感器突然施加一個(gè)壓力，模擬脈沖干擾后，可得到轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的讀數(shù)，沒有濾波算法的讀數(shù)如圖4所示，有濾波算法的讀數(shù)如圖5所示。

在圖4、圖5中，總共讀數(shù)50個(gè)，每過1000ms讀一次，在第2行第1個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，突然加一個(gè)壓力在稱重傳感器上，然后，馬上撤去壓力，以此來模擬脈沖干擾。

從上圖中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)不加濾波算法時(shí)，在有外界脈沖壓力干擾時(shí)，第2行第1個(gè)讀數(shù)，突然變大為10253361，當(dāng)外界脈沖壓力后，經(jīng)過連續(xù)讀入幾個(gè)數(shù)據(jù)后慢慢恢復(fù)到以前的穩(wěn)定讀數(shù)?？梢?，在沒有濾波算法進(jìn)行濾波時(shí)，讀數(shù)的變化是陡變的。而在有濾波算法時(shí)，幾乎沒有變化。有濾波算法時(shí)，在外界脈沖壓力干擾的整個(gè)過程中數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍不超過384，比沒有濾波算法的波動(dòng)范圍4068143小了很多。而且，在有濾波算法時(shí)，數(shù)據(jù)變化緩慢，對(duì)讀數(shù)幾乎沒有影響?？梢?，中位值平均濾波算法有很好的抑制脈沖干擾的作用。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證電子秤的準(zhǔn)確性，對(duì)載荷為150g的砝碼進(jìn)行10次重復(fù)檢定，電子秤重復(fù)性檢定結(jié)果如表1所示。由表1可見，最大誤差為0.04g，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 重復(fù)性檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

序號(hào) 載荷/g 示值/g 序號(hào) 載荷/g 示值/g

1 150.00 149.98 6 150.00 149.96

2 150.00 150.02 7 150.00 149.98

3 150.00 150.04 8 150.00 150.01

4 150.00 150.02 9 150.00 149.98

5 150.00 149.97 10 150.00 150.02

電子秤示值誤差檢定結(jié)果如表3所示。本研究選取了0g、5g、10g、20g、50g、100g、150g、200g等8個(gè)不同的測量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)方法是：載荷從零開始，逐漸地往上加載，直至加到最大砝碼，然后逐漸地卸下載荷，直到零載荷為止。由表2可見，電子秤的最大示值誤差為0.04g，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 示值誤差檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

序號(hào) 載荷/g 加載時(shí)示值/g 卸載時(shí)示值/g 誤差/g

1 0.00 0.00 0.00 0.00

2 5.00 5.02 5.00 0.02

3 10.00 9.98 10.01 -0.02

4 20.00 20.03 20.04 0.04

5 50.00 50.01 50.01 0.01

6 100.00 99.96 99.99 -0.04

7 150.00 150.01 150.03 0.03

8 200.00 199.98. 200.00 -0.02

5.結(jié)束語

本研究對(duì)電子秤的基本工作原理進(jìn)行了深入學(xué)習(xí)研究，并且通過查找資料發(fā)現(xiàn)目前市的電子秤精度較低、成本較高等問題。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的高精度、低成本的電子秤，并且應(yīng)用了專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器HX711芯片和中位值平均數(shù)字濾波算法，簡化了電路連接，提高了電路的穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電子秤反應(yīng)靈敏，10s左右即可達(dá)到穩(wěn)定讀數(shù)，而且性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高。

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作者簡介：

李小龍（1988—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，研究方向：機(jī)電設(shè)備控制人與檢測技術(shù)。

郭佑民（1968—），男，蘭州交通大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與設(shè)備控制。

陳鵬（1991—），男，甘肅隴西人，碩士研究生，主要研究方向：企業(yè)信息化。

馬超（1988—）男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向：物流信息調(diào)度優(yōu)化。